氧化铝陶瓷为何要加添助剂？

　　氧化铝陶瓷有许多可圈可点的优势，例如高硬度，耐高温，耐磨、抗氧化等等，广泛应用于各工业领域。然而，氧化铝自身阳离子电荷多，半径小，离子键强的特点，导致其晶格能较大，扩散系数低，烧结温度高。一般纯氧化铝陶瓷的烧结温度在1700℃以上，这样高的烧结温度在工业上较难普遍实现，而且不利于降低成本，同时结构上也会有存在较多的缺陷，对氧化铝陶瓷的材料力学性能不利，为了促进氧化铝陶瓷致密化，降低烧结温度，一般在原料里引入添加剂来降低其烧结温度或改善其烧结性能。

添加剂的类型和特征

　　添加剂的作用机理与其离子半径和化合价有关。根据作用机理的不同，可以把添加剂分为２类：第一类是生成液相，这类添加剂如SiO2、MgO、CaO、SrO、BaO等碱土金属氧化物，在晶界形成低熔点的玻璃相，促进烧结，电性能良好，适于制备电子陶瓷；第二类是生成固溶体，这类添加剂如Cr2O3、Fe2O3、TiO2、MnO等，它们与氧化铝基体形成置换固溶体，降低烧结温度，同时降低陶瓷的体积电阻率，适于有力学要求的场合。

第一类示例：氧化铝陶瓷基片

第二类示例：氧化铝结构件来源：宜兴市锦程机械精磨厂

     1、生成液相添加剂的作用机理：

　　第一类添加剂多为立方密堆积、NaCl型晶体结构。由于晶体结构的差异，它们在Al2O3中的“溶解度”极小，通过杂质聚集在晶界处的方式，减少了它们在基体中的含量，随着烧结的继续进行，晶界数量和面积减少，晶界处杂质的浓度相对增加，使晶界处的共溶温度下降，当达到一定极限，就成为液相，促进了烧结，提高了材料的密度。这种材料内部晶粒往往很大。

     2、生成固溶体添加剂的作用机理：

　　这类添加剂如晶格类型与氧化铝一样或接近，Cr2O3、Fe2O3可与Al2O3形成无限置换固溶体，TiO2、MnO可与Al2O3形成有限置换固溶体，使晶格发生一定程度的畸变，而且由于这些化合物为变价化合物，可以活化晶格，降低烧结温度。它们主要是通过质点扩散或界面移动来实现致密化，促进烧结；它们多为有色添加剂，加入它们后，会改变瓷片的白色状态；由于这些化合物为变价化合物，在电场和高温、高湿环境下易发生电子的转移，从而导致介电损耗增加，体积电阻率降低，在Al2O3陶瓷基板配方中，不用或者慎用这些化合物。

主要添加剂的作用

     1、MgO的作用

     MgO是Al2O3烧结过程中的显微结构稳定剂，它可以细化晶粒，大大减小晶界能的差异，削弱晶粒生长的各向异性，抑制不连续的晶粒生长。

　　人们对MgO抑制Al2O3晶粒生长的机理看法不一，大致有４种机理：①第二相钉扎在晶界，抑制气孔与晶界脱附，避免气孔被包裹；②）固溶杂质偏析在晶界，抑制晶粒生长；③由于晶界能与表面能的比值在烧结时发生较小的变化，导致气相形态的变化，产生气相在晶界钉扎；④由于二价镁产生缺陷结构的变化，加快了致密化速率，该速率明显大于晶粒生长速率。

　　由于MgO高温挥发性较强，为了达到良好的效果，常将La2O3或Y2O3同MgO混合引入。La2O3或Y2O3的引入，可以细化晶粒，促进烧结致密化，但会降低致密化的速率。

    2、SiO2的作用

　　原料中SiO2的含量的提高，能显著削弱或消除Na2O杂质对瓷体介电损耗的有害影响。在SiO2存在的情况下，钠离子可以转移到硅酸盐玻璃相中或者形成钠长石(NaO·Al2O3·6SiO2)之类的化合物，从而减少和消除陶瓷中的β-Al2O3，减少了其有害作用。

    3、CaO、SrO、BaO的作用

     ①对介电性能的影响

CaO的引入可有效地降低瓷料的介电损耗。但CaO、SrO、BaO等碱土金属氧化物的加入量不宜过多，否则，会使瓷坯中的显气孔率迅速增大。文献报道，CaO含量超过MgO的一半时，陶瓷基板的耐酸能力将下降。

     ②对烧结温度的影响

　　种种研究表明，在氧化铝陶瓷里，要得到显微结构致密、晶粒均匀细小的结构，必须含有MgO和微量的CaO。这类添加剂通常用于与其他成分配伍形成低共熔点体系。

      4、TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、V2O5的作用

　　这类添加剂与CaO、MgO、SiO2不同，它们不形成液相，由于他们的晶体结构与Al2O3接近或一样，离子半径接近，故它们在氧化铝里形成有限或无限固溶体，导致晶格发生畸变，且它们均为变价化合物，在烧结过程中，电价还可以发生变化，活化晶格，可显著促进烧结。

　　这类添加剂的作用规律

    ①能与Al2O3形成有限固溶体的添加剂较形成连续固溶体的添加剂的降温作用大；②可变价离子的添加剂比不变价的添加剂的作用大；③阳离子电荷多的、电价高的添加剂的降温作用更大。

　　这类添加剂的缺点是：由于这类添加剂是在缺少液相的条件下烧结的（重结晶烧结），故晶体内的气孔较难填平，气密性较差，且由于添加物为变价化合物，在潮湿或电场作用下，易发生电子的迁移，导致电性能下降很多。故在陶瓷电路基板行业中不用或慎用这类添加剂。