Cómo procesar componentes estructurales cerámicos de alúmina de gran pureza

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Componentes estructurales de cerámica de alúmina de gran pureza se utilizan ampliamente en semiconductores, industria aeroespacial, equipos médicos, nuevas energías y otros campos debido a sus excelentes prestaciones, como alta dureza, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, buen aislamiento eléctrico y bajo coeficiente de dilatación térmica. Sin embargo, debido a su elevada dureza y fragilidad, es difícil de procesar y requiere el uso de procesos y equipos especiales.

1、 Preparación de la materia prima
El punto de partida de la cerámica de alúmina de alta pureza es el polvo de alúmina de alta pureza (con un contenido de Al ₂ O3 ≥ 99,9%). Mediante el uso de la tecnología de molienda ultrafina, el tamaño de partícula del polvo se controla por debajo de 1 μ m para garantizar la uniformidad y la densidad del material. Además, suele ser necesario añadir una pequeña cantidad de auxiliares de sinterización (como MgO, SiO ₂, etc.) para mejorar el rendimiento de la sinterización. El proceso de granulación por pulverización se utiliza a menudo para optimizar la fluidez de las partículas. Se añade alcohol polivinílico (PVA) o parafina soluble en agua como aglutinante para que el polvo sea esférico, tenga poca densidad y un ángulo de fluidez inferior a 30°.

2、 Proceso de conformado
Seleccione el método de moldeo adecuado en función de los requisitos de forma y precisión de los componentes estructurales. Los procesos de moldeo más comunes son:

-Moldeo por prensado en seco: adecuado para formas geométricas simples (como piezas con una relación longitud/diámetro de ≤ 4:1), puede moldearse rápidamente a una presión de 200MPa mediante prensas hidráulicas o mecánicas, con una eficiencia de moldeo de 15-50 piezas/minuto.
-Moldeo por inyección: adecuado para piezas complejas e irregulares, utiliza moldes de yeso para absorber la humedad de la lechada y solidificarla para darle forma. Es necesario añadir a la lechada un desemulsionante (como la poliacrilamida) y un aglutinante (como la metilcelulosa) para estabilizar el sistema de suspensión.
-Tecnología de moldeo por colada+preincrustación: Para componentes estructurales complejos que contienen microporos o canales, la pasta de alúmina se moldea en láminas y se preincrusta con material de relleno de butiral de polivinilo (PVB), que luego se forma mediante prensado isostático a temperatura (75-100 ℃, 100-200MPa). Tras la sinterización, el material de relleno se evapora para formar canales porosos precisos.
-Conformado por presión isostática: Mediante la aplicación uniforme de presión (200-400 MPa) a través de medios líquidos o gaseosos, la densidad de la palanquilla es mayor y más uniforme, adecuada para estructuras complejas.

3、 Proceso de sinterización
La sinterización es el paso fundamental que determina las propiedades de la cerámica, que densifica las partículas mediante la unión a alta temperatura. Los procesos de sinterización más comunes son:

-Sinterizado por presión atmosférica: realizado a altas temperaturas superiores a 1600 ℃, adecuado para componentes estructurales convencionales.
-Prensado isostático en caliente (HIP): La presión uniforme en medios gaseosos a alta temperatura y alta presión puede aumentar la densidad en 30-50%, adecuado para productos de alto valor añadido como cojinetes de aviación y componentes de combustible nuclear.
-Sinterización por prensado en caliente: sinterización bajo presión (10-40 MPa), la temperatura de sinterización puede reducirse a 1400-1600 ℃, y la densidad es superior a 99,5%.
-Sinterización por plasma de chispa (SPS): calentamiento rápido (varios cientos de ° C/min), tiempo corto (5-20 minutos) para completar la densificación, tamaño de grano fino.

El embrión sinterizado debe someterse a una inspección con rayos X para garantizar que no haya grietas internas ni defectos de porosidad, lo que sienta las bases para el posterior mecanizado de precisión.

4、 Mecanizado de precisión
La dureza de la cerámica de alúmina de gran pureza sólo es superada por la del diamante (nivel de dureza Mohs 9), por lo que requiere el uso de herramientas superduras y tecnología CNC para el mecanizado de precisión. Entre los métodos de procesamiento más comunes se incluyen:

-Corte con herramientas de diamante: Las máquinas de grabado y fresado de cerámica están equipadas con herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) o diamante, que consiguen una precisión de nivel micrométrico optimizando los parámetros de corte (velocidad>3000rpm, avance 0,01mm/tiempo).
-Rectificado y pulido: Para el rectificado se utilizan muelas de diamante (tamaño de partícula # 200- # 2000), con una rugosidad superficial Ra de hasta 0,1 μ m. El pulido paso a paso, desde el rectificado grueso hasta el rectificado fino, y finalmente utilizando polvo de alúmina de grado submicrónico o pulido de yeso diamantado, puede lograr un efecto espejo.
-Procesamiento láser: Los láseres de femtosegundos o picosegundos pueden utilizarse para perforar y cortar, con una precisión de ± 5 μ m, adecuada para microestructuras ultrafinas o complejas.
-Mecanizado por descarga eléctrica: Adecuado para ranurar y cortar cerámica de alta dureza grabando los materiales mediante descarga.
-Mecanizado ultrasónico: utiliza vibraciones de alta frecuencia para rectificar piezas de paredes finas o complejas, reduciendo el riesgo de rotura de cantos.

5、 Tratamiento superficial
Para mejorar aún más el rendimiento de los componentes estructurales cerámicos, el tratamiento de superficies es un paso indispensable. Entre los métodos habituales de tratamiento de superficies se incluyen:

-Pulido: El pulido químico mecánico (CMP) puede reducir la rugosidad de la superficie a Ra<1nm, lo que resulta adecuado para ventanas ópticas y componentes semiconductores.
-Recubrimiento: En función de los requisitos, pueden aplicarse revestimientos resistentes a la corrosión a las superficies cerámicas.

6、 Inspección de calidad
Tras el procesamiento, es necesario realizar una inspección exhaustiva de la calidad de los componentes estructurales de cerámica de alúmina de gran pureza, que incluya la precisión dimensional, la suavidad de la superficie, los defectos internos, etc. Para detectar defectos internos se suelen utilizar tecnologías como los ensayos con rayos X y los ultrasonidos.

La tecnología de procesado de alta pureza componentes estructurales de cerámica de alúmina es complejo y preciso, desde la preparación de la materia prima hasta el tratamiento final de la superficie, cada paso tiene un impacto significativo en el rendimiento del producto final.