Introdução e aplicação de cerâmica de alumina

1.Introdução de cerâmica de alumina

Cerâmica de alumina é um material cerâmico avançado com alumina (Al2O3) como a principal composição química, que é amplamente utilizado em campos tradicionais e em novos campos de materiais.
Cerâmicas de alumina geralmente se referem a cerâmicas de alumina com teor de alumina superior a 70%.
Não é apenas um material refratário tradicional e um material resistente ao desgaste, mas também um material cerâmico eletrônico amplamente utilizado.

1.1 Vantagens da cerâmica de alumina

1.1.1 Alta resistência mecânica, a resistência à flexão da cerâmica de alumina pode atingir 250 MPa e a resistência à flexão da cerâmica de alumina formada prensada a quente pode atingir 500 MPa, o que pode manter sua resistência mecânica a uma temperatura de 900 ℃;
1.1.2 Alta resistividade, bom desempenho de isolamento elétrico, resistividade à temperatura ambiente de 1015Ω · cm, resistência de isolamento 15kV / mm;
1.1.3 Alta dureza, a dureza de Mohs da cerâmica de alumina é 9, a dureza Rockwell é HRA80-90, a dureza só perde para o diamante, excedendo em muito o desempenho de resistência ao desgaste do aço resistente ao desgaste e do aço inoxidável, é equivalente a 266 vezes a do aço manganês e 171,5 vezes a do ferro fundido com alto teor de cromo. Nas mesmas condições de trabalho, pode prolongar a vida útil do equipamento pelo menos dez vezes;
1.1.4 A densidade da cerâmica de alumina é 3,6g / cm3, que é apenas metade da do aço, o que pode reduzir bastante a carga do equipamento;
1.1.5 Alto ponto de fusão, anticorrosão, ponto de fusão 2050 ℃, pode resistir à erosão de metais fundidos, como Be, Sr, Ni, Al, V, Ta, Mn, Fe, Co. Também tem alta resistência à erosão de NaOH, vidro e escória;
1.1.6 Cerâmicas de alumina têm excelente estabilidade química e não reagem quimicamente com muitos sulfetos complexos, como fosfetos, arsenetos, cloretos, nitretos, brometos, iodetos, óxidos, ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico e ácido fluorídrico.

1.2 Desvantagens da cerâmica de alumina

1.2.1 Cerâmicas de alumina são materiais de baixa tenacidade, baixa resistência ao choque térmico e não podem suportar mudanças bruscas de temperatura;
1.2.2 Baixa resistência ao impacto, é fácil de quebrar e não pode resistir ao impacto de alta pressão;
1.2.3 Cerâmicas de alumina são materiais altamente frágeis, de difícil usinagem e com baixo rendimento.

2.Processo de produção de cerâmica de alumina

2.1 Preparação de pó

O pó de alumina é preparado em materiais em pó de acordo com diferentes requisitos de produto e diferentes processos de moldagem. O pó de alumina deve ser pulverizado ultra-finamente para uniformizar a distribuição do tamanho das partículas.
Ao usar o método de moldagem por injeção, um aglutinante e um plastificante devem ser introduzidos no pó e misturados uniformemente a uma determinada temperatura para facilitar a operação de moldagem.
Se o método de prensagem a seco for adotado, uma torre de secagem por pulverização é necessária para granular o pó de alumina em pasta moída para torná-lo esférico, de modo a melhorar a fluidez do pó e facilitar o enchimento automático do molde durante a formação.
Para a granulação por pulverização em pó, o álcool polivinílico pode ser usado como aglutinante. O pó após a granulação por pulverização deve ter boa fluidez, densidade solta e temperatura de fricção do ângulo de fluxo inferior a 30 ℃. Razão de gradação de partículas ideal e outras condições para obter uma densidade de corpo verde maior.

2.2 Método de moldagem

Existem muitos métodos para formar produtos cerâmicos de alumina, como prensagem a seco, extrusão, prensagem isostática a frio, injeção, fundição, prensagem a quente e prensagem isostática a quente.
Produtos de diferentes formas, tamanhos, formas complexas e precisão requerem diferentes métodos de moldagem.

2.2.1 Prensagem a seco

A tecnologia de prensagem a seco de cerâmica de alumina é limitada a peças de cerâmica com uma forma simples, uma espessura de parede interna de mais de 1 mm e uma relação comprimento / diâmetro de não mais de 4: 1. O método de formação é uniaxial ou bidirecional.
Existem dois tipos de prensas: hidráulica e mecânica, podendo ser de operação semiautomática ou totalmente automática.
Devido à pressão uniforme da prensa hidráulica, a altura da peça prensada é diferente quando o enchimento do pó é diferente. No entanto, a pressão aplicada pela prensa mecânica varia com a quantidade de enchimento do pó, o que facilmente leva a diferenças no encolhimento do tamanho após a sinterização, o que afeta a qualidade do produto.
Portanto, a distribuição uniforme do pó de alumina granular durante a prensagem a seco é muito importante para o enchimento do molde. O fato de a quantidade de enchimento ser precisa ou não tem grande influência no controle da precisão dimensional das peças cerâmicas de alumina fabricadas.
A partícula ideal do pó deve fazer com que o pó obtenha a máxima fluidez livre e, como objetivo, obtenha o melhor resultado de formação.

2.2.2 Prensagem isostática

2.2.2.1 Prensagem isostática a frio (CIP)

A prensagem isostática a frio (CIP) aplica pressão de várias direções para obter maior uniformidade de compactação (peças de alta qualidade) e maior capacidade de forma, em comparação com a prensagem uniaxial.
Existem dois métodos de realizar a prensagem isostática.
Na prensagem isostática de bolsa úmida –
O pó é envolto em uma bainha de borracha que é imersa em um líquido que transmite a pressão de maneira uniforme ao pó.
Na prensagem isostática de saco seco –
Em vez de imergir o ferramental em um fluido, o próprio ferramental é construído com canais internos nos quais o fluido de alta pressão é bombeado.
A prensa isostática a frio também é conhecida como prensa de borracha.
Pó cerâmico e pó metálico preenchem um molde de borracha, que é então mergulhado no vaso de pressão.
O pó é comprimido a uma pressão máxima de água de 400 MPa.
As ações isostáticas (pressão hidrostática) também podem formar formas complicadas que não podem ser comprimidas sem uma prensa uniaxial ou máquina.

2.2.2.2 Prensagem isostática a quente (HIP)

O processo HIP, que sujeita um componente a temperaturas e pressões elevadas para eliminar a micro-contração interna, ajudou os engenheiros a responder às regulamentações cada vez mais rigorosas da indústria aeroespacial.
O HIP permitiu que os engenheiros projetassem componentes para que eles pudessem atender às especificações de uso em aplicações críticas e com alta tensão.
O Processo HIP’ing
O processo HIP fornece um método para a produção de componentes de diversos materiais em pó, incluindo metais e cerâmicas.
Durante o processo de fabricação, uma mistura de pó de vários elementos é colocada em um recipiente, normalmente uma lata de aço.
O recipiente é submetido a temperatura elevada e vácuo muito alto para remover o ar e a umidade do pó.
O contêiner é então selado e HIP’ed. A aplicação de altas pressões de gás inerte e temperaturas elevadas resulta na remoção de vazios internos e cria uma forte ligação metalúrgica em todo o material.
O resultado é um material limpo e homogêneo com um tamanho de grão uniformemente fino e uma densidade próxima de 100%.

2.2.3 Moldagem por Injeção de Cerâmica (CIM)

O rejuntamento é o método de moldagem mais antigo usado para cerâmicas de alumina. O método de rejuntamento tem baixo custo e é fácil de formar peças de grande porte e formas complexas. A chave para o rejuntamento é a preparação da pasta de alumina. Normalmente usa-se água como meio de fluxo e, em seguida, adiciona-se o agente de descolamento e o ligante, e o gás é exaurido após ser totalmente triturado e, em seguida, despejado no molde de gesso.
A pasta de cerâmica de alumina também precisa adicionar aditivos orgânicos para formar uma camada dupla elétrica na superfície das partículas da pasta de modo que a pasta fique suspensa de forma estável sem precipitação. Além disso, ligantes como álcool vinílico, metil celulose, alginato amina e dispersantes como polipropileno amina e goma arábica devem ser adicionados, todos com o propósito de tornar a pasta adequada para operações de rejuntamento e moldagem.

2.3 Sinterização

O processo de densificação do corpo de cerâmica granular verde e formação de um material sólido é denominado sinterização.
A sinterização é um método de remoção dos vazios entre as partículas do corpo verde, removendo uma pequena quantidade de gás e impurezas de matéria orgânica, para que as partículas possam crescer e se combinarem para formar um novo material.
O dispositivo de aquecimento usado para sinterização é o forno elétrico mais amplamente utilizado. Além da sinterização atmosférica, nomeadamente sinterização sem pressão, existem também sinterização por prensagem a quente e sinterização por prensagem isostática a quente.
A sinterização por prensagem isostática a quente usa gás de alta temperatura e alta pressão como meio de transmissão de pressão, que tem a vantagem de aquecimento uniforme em todas as direções e é muito adequada para sinterizar produtos com formas complexas.
Fornos de rolo e fornos de túnel são usados para sinterização de cerâmica de alumina resistente ao desgaste, como telhas de alumina de proteção contra desgaste e bolas de moagem de alumina.

2.4 Usinagem

Alguns materiais cerâmicos de alumina ainda precisam de acabamento após a sinterização.
Devido à alta dureza dos materiais cerâmicos de alumina, é necessário o uso de materiais abrasivos e ladrilhos polidos mais duros para o acabamento, como SIC, B4C ou diamantes.
Geralmente, ele usa abrasivos grossos a finos para moer passo a passo para atender a tolerância dimensional necessária e acabamento de superfície.

Usinagem de corpo verde
As peças cerâmicas de alumina também podem ser usinadas antes da sinterização, quando já estão no corpo verde.
Esta técnica é comumente aplicada a peças pré-prensadas que ainda estão em uma condição “calcária”. As máquinas para usinagem de metais comuns são usadas para usinar a peça nessa condição “macia”, pois maiores taxas de remoção de material são possíveis do que por operações pós-sinterização, como retificação de diamante.
Como queimado, os componentes usinados estão sujeitos a tolerâncias máximas de +/- 1%. Para atingir tolerâncias mais estreitas, a retificação de diamante deve ser adotada.

3.Aplicação de cerâmica de alumina

3.1 Cerâmica resistente ao desgaste

As cerâmicas de alumina resistentes ao desgaste têm as características de alta dureza, resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e baixo preço. Eles são adequados para aplicações industriais. Eles têm sido amplamente utilizados em revestimentos de chute, sistemas de moagem de cimento, sistemas de moagem de matéria-prima, sistema de tratamento de britagem de minério, impulsor de ventilador de transporte de pó de material duro, revestimentos de proteção contra desgaste de sistema de pulverização de usina elétrica a carvão e sistema de seleção de pó de planta de cimento, etc. .

Data técnica principal de cerâmicas resistentes ao desgaste:
Conteúdo de cerâmica de alumina: ≥92%
Densidade: ≥3,6 g / cm3
Dureza Rockwell: ≥80 HRA
Força compressiva: ≥850 Mpa
Resistência à fratura KΙC: ≥4,8 MPa · m1 / 2
Resistência à flexão: ≥290MPa
Condutividade térmica: 20W / m.K
Coeficiente de expansão térmica: 7,2 × 10-6m / m.K

3.2 Bolas de moagem de alumina

As bolas de moagem de alumina são feitas de pó de alumina como matéria-prima por meio de dosagem, moagem, pulverização (polpação, fabricação de lama), moldagem, secagem, queima e outros processos. O teor de alumina das bolas de moagem com alto teor de alumínio está acima de 92% e a aparência é esférica branca com um diâmetro de 1-100 mm.

Características das bolas de alumina:
A esfera de alumina possui baixa abrasão, alta dureza, resistência à corrosão, resistência ao impacto, desempenho estável em condições de alta temperatura, econômica e prática.

Aplicação de bolas de alumina:
É adequado para meios de moagem de moinhos de bolas, moinhos de agitação e outros equipamentos, e pode ser usado em minério de metal não ferroso, materiais em pó cerâmicos industriais, materiais em pó não metálicos, dióxido de titânio, fabricação de papel, revestimentos, outros materiais em pó e outros campos.

3.3 Peças e componentes de cerâmica de alumina

Como um tipo de materiais inorgânicos não metálicos, os materiais cerâmicos de alumina têm propriedades que muitos materiais metálicos não têm, tais como: alta resistência, alta dureza, alto módulo de elasticidade, alta resistência à temperatura, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência à oxidação, térmica resistência ao choque .
O atual processo de produção de cerâmica de alumina está maduro, e as peças de cerâmica de alumina de vários formatos não padronizados podem ser feitas de acordo com aplicações especiais, substituindo o metal como peças-chave.
Com base na resistência à alta temperatura da cerâmica de alumina, cerâmicas especiais podem ser feitas em conchas de isolamento de ônibus espaciais, ogivas de mísseis intercontinentais, peças de bocal de foguete, etc.
Cerâmicas de alumina têm uma ampla gama de aplicações em produtos civis, como câmaras de combustão de motor, coroas de pistão, rotores, impulsores resistentes à corrosão, tubos resistentes ao desgaste, rolamentos, buchas, válvulas esféricas, vedações, parafusos, espaçadores, anéis cerâmicos, tubo ,… Que pode substituir produtos de metal em muitas aplicações.
As peças de cerâmica de alumina têm muitas características, como temperatura ultra-alta, alta dureza, alto ponto de fusão, alta resistência ao desgaste, resistência à corrosão ácida e alcalina, não condutividade, condutividade não magnética, baixo coeficiente de expansão, propriedades fotoelétricas especiais, etc. e pode ser usado na indústria aeroespacial, comunicações, petróleo, eletricidade, automóveis, eletrônicos, energia solar fotovoltaica, novas baterias de energia, produtos químicos, equipamentos médicos, máquinas de precisão, equipamentos de teste biológico, automação inteligente e muitos outros campos e indústrias.

3.4 Placa de circuito

O material de substrato de cerâmica de alumina é o material de substrato mais econômico e eficaz em aplicações de microeletrônica. O substrato de 99,6% de alumina possui excelente condutividade térmica, resistência mecânica, desempenho de isolamento elétrico, durabilidade química e estabilidade dimensional, tornando-se assim a primeira escolha para circuitos híbridos. É amplamente utilizado em circuitos de filme espesso, circuitos de filme fino, circuitos híbridos, componentes multi-chip e módulos IGBT de alta potência.

Substrato de cerâmica de alumina (Al2O3)
O substrato cerâmico é um material semelhante a uma folha com base em cerâmica eletrônica que forma uma base de suporte para componentes de circuito de membrana e componentes de ligação externos.
O substrato cerâmico tem as principais vantagens de resistência a altas temperaturas, alto isolamento elétrico, baixa constante dielétrica e perda dielétrica, grande condutividade térmica, boa estabilidade química e coeficiente de expansão térmica semelhante ao do componente.
No entanto, o substrato de cerâmica é quebradiço e o tamanho do substrato de cerâmica é pequeno e o custo é relativamente alto.
Os materiais de substrato cerâmico comumente usados são Al2O3, AlN, SiC, BeO, BN, zircônia e cerâmica de vidro. Embora a condutividade térmica do substrato cerâmico de alumina não seja alta (20W / m.K), devido ao seu processo de produção relativamente simples, baixo custo e baixo preço, tornou-se o substrato cerâmico mais amplamente utilizado.
O substrato de cerâmica de alumina tem as vantagens de boa condutividade térmica, isolamento estável, resistência ao choque térmico, resistência ao desgaste, resistência ácida e alcalina, etc., e pode ser usado em circuitos integrados híbridos de filme espesso HTC, bases de dissipação de calor de cerâmica LED, módulos de energia, dispositivos semicondutores e outros campos.

3.5 Bolas inertes de cerâmica
(Suporte de catalisador de cerâmica)

A bola de cerâmica de alumina inerte não é suscetível a reações químicas e sua textura inerentemente densa, absorção de água muito baixa, não age como um agente de secagem.
As bolas inertes de cerâmica de alumina são amplamente utilizadas nas indústrias de petróleo, química, fertilizantes, gás natural e proteção ambiental como material de suporte de cobertura e embalagem de torre para catalisadores no reator.
A maioria deles são materiais de enchimento de fundo, como planta de fibra química, planta de alquilbenzeno, planta de aromáticos e outros equipamentos de refino de hidrocraqueamento, equipamento de reforma catalítica, equipamento de isomerização e equipamento de desmetilação.
A esfera de cerâmica de alumina inerte é resistente a alta temperatura e pressão, baixa absorção de água, função química estável, ácido, álcali e outros solventes e pode compensar as mudanças de temperatura durante a produção e tem boa estabilidade térmica.
A principal aplicação das bolas cerâmicas inertes é aumentar os pontos de distribuição de gás ou líquido em um reator, e apoiar e proteger o catalisador de ativação com baixa resistência.

3.6 Espuma de cerâmica

A cerâmica de espuma de alumina é o tipo mais antigo de cerâmica de espuma usada. O material cerâmico de espuma é um tipo de material poroso com características de alta temperatura. Possui resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, baixa densidade, alta porosidade e alta resistência específica. É amplamente utilizado em bioquímica, materiais médicos, elétricos e eletrônicos, filtração de metal fundido, materiais de isolamento acústico e térmico, tratamento de gases de exaustão de automóveis e outros campos.

A cerâmica Al2O3 é atualmente um dos novos materiais mais estudados e amplamente utilizados. Além das aplicações acima, também é amplamente utilizado em outros campos de alta tecnologia, como aeroespacial, indústria militar, etc.