氧化鋁陶瓷為何要加添助劑？

　　氧化鋁陶瓷有許多可圈可點的優勢，例如高硬度，耐高溫，耐磨、抗氧化等等，廣泛應用于各工業領域。然而，氧化鋁自身陽離子電荷多，半徑小，離子鍵強的特點，導致其晶格能較大，擴散系數低，燒結溫度高。一般純氧化鋁陶瓷的燒結溫度在1700℃以上，這樣高的燒結溫度在工業上較難普遍實現，而且不利于降低成本，同時結構上也會有存在較多的缺陷，對氧化鋁陶瓷的材料力學性能不利，為了促進氧化鋁陶瓷致密化，降低燒結溫度，一般在原料里引入添加劑來降低其燒結溫度或改善其燒結性能。

添加劑的類型和特征

　　添加劑的作用機理與其離子半徑和化合價有關。根據作用機理的不同，可以把添加劑分為２類：第一類是生成液相，這類添加劑如SiO2、MgO、CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物，在晶界形成低熔點的玻璃相，促進燒結，電性能良好，適于制備電子陶瓷；第二類是生成固溶體，這類添加劑如Cr2O3、Fe2O3、TiO2、MnO等，它們與氧化鋁基體形成置換固溶體，降低燒結溫度，同時降低陶瓷的體積電阻率，適于有力學要求的場合。

第一類示例：氧化鋁陶瓷基片

第二類示例：氧化鋁結構件來源：宜興市錦程機械精磨廠

     1、生成液相添加劑的作用機理：

　　第一類添加劑多為立方密堆積、NaCl型晶體結構。由于晶體結構的差異，它們在Al2O3中的“溶解度”極小，通過雜質聚集在晶界處的方式，減少了它們在基體中的含量，隨著燒結的繼續進行，晶界數量和面積減少，晶界處雜質的濃度相對增加，使晶界處的共溶溫度下降，當達到一定極限，就成為液相，促進了燒結，提高了材料的密度。這種材料內部晶粒往往很大。

     2、生成固溶體添加劑的作用機理：

　　這類添加劑如晶格類型與氧化鋁一樣或接近，Cr2O3、Fe2O3可與Al2O3形成無限置換固溶體，TiO2、MnO可與Al2O3形成有限置換固溶體，使晶格發生一定程度的畸變，而且由于這些化合物為變價化合物，可以活化晶格，降低燒結溫度。它們主要是通過質點擴散或界面移動來實現致密化，促進燒結；它們多為有色添加劑，加入它們后，會改變瓷片的白色狀態；由于這些化合物為變價化合物，在電場和高溫、高濕環境下易發生電子的轉移，從而導致介電損耗增加，體積電阻率降低，在Al2O3陶瓷基板配方中，不用或者慎用這些化合物。

主要添加劑的作用

     1、MgO的作用

     MgO是Al2O3燒結過程中的顯微結構穩定劑，它可以細化晶粒，大大減小晶界能的差異，削弱晶粒生長的各向異性，抑制不連續的晶粒生長。

　　人們對MgO抑制Al2O3晶粒生長的機理看法不一，大致有４種機理：①第二相釘扎在晶界，抑制氣孔與晶界脫附，避免氣孔被包裹；②）固溶雜質偏析在晶界，抑制晶粒生長；③由于晶界能與表面能的比值在燒結時發生較小的變化，導致氣相形態的變化，產生氣相在晶界釘扎；④由于二價鎂產生缺陷結構的變化，加快了致密化速率，該速率明顯大于晶粒生長速率。

　　由于MgO高溫揮發性較強，為了達到良好的效果，常將La2O3或Y2O3同MgO混合引入。La2O3或Y2O3的引入，可以細化晶粒，促進燒結致密化，但會降低致密化的速率。

    2、SiO2的作用

　　原料中SiO2的含量的提高，能顯著削弱或消除Na2O雜質對瓷體介電損耗的有害影響。在SiO2存在的情況下，鈉離子可以轉移到硅酸鹽玻璃相中或者形成鈉長石(NaO·Al2O3·6SiO2)之類的化合物，從而減少和消除陶瓷中的β-Al2O3，減少了其有害作用。

    3、CaO、SrO、BaO的作用

     ①對介電性能的影響

CaO的引入可有效地降低瓷料的介電損耗。但CaO、SrO、BaO等堿土金屬氧化物的加入量不宜過多，否則，會使瓷坯中的顯氣孔率迅速增大。文獻報道，CaO含量超過MgO的一半時，陶瓷基板的耐酸能力將下降。

     ②對燒結溫度的影響

　　種種研究表明，在氧化鋁陶瓷里，要得到顯微結構致密、晶粒均勻細小的結構，必須含有MgO和微量的CaO。這類添加劑通常用于與其他成分配伍形成低共熔點體系。

      4、TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、V2O5的作用

　　這類添加劑與CaO、MgO、SiO2不同，它們不形成液相，由于他們的晶體結構與Al2O3接近或一樣，離子半徑接近，故它們在氧化鋁里形成有限或無限固溶體，導致晶格發生畸變，且它們均為變價化合物，在燒結過程中，電價還可以發生變化，活化晶格，可顯著促進燒結。

　　這類添加劑的作用規律

    ①能與Al2O3形成有限固溶體的添加劑較形成連續固溶體的添加劑的降溫作用大；②可變價離子的添加劑比不變價的添加劑的作用大；③陽離子電荷多的、電價高的添加劑的降溫作用更大。

　　這類添加劑的缺點是：由于這類添加劑是在缺少液相的條件下燒結的（重結晶燒結），故晶體內的氣孔較難填平，氣密性較差，且由于添加物為變價化合物，在潮濕或電場作用下，易發生電子的遷移，導致電性能下降很多。故在陶瓷電路基板行業中不用或慎用這類添加劑。