Come lavorare componenti strutturali in ceramica di allumina di elevata purezza

---

Componenti strutturali in ceramica di allumina ad alta purezza sono ampiamente utilizzati nei settori dei semiconduttori, dell'aerospazio, delle apparecchiature mediche, delle nuove energie e in altri campi grazie alle loro eccellenti prestazioni, come l'elevata durezza, la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, il buon isolamento elettrico e il basso coefficiente di espansione termica. Tuttavia, a causa della sua elevata durezza e fragilità, è difficile da lavorare e richiede l'uso di processi e attrezzature speciali.

1. Preparazione delle materie prime
Il punto di partenza per la ceramica di allumina di elevata purezza è la polvere di allumina di elevata purezza (con un contenuto di Al ₂ O3 ≥ 99,9%). Utilizzando la tecnologia di macinazione ultrafine, la dimensione delle particelle della polvere è controllata al di sotto di 1 μ m per garantire l'uniformità e la densità del materiale. Inoltre, è solitamente necessario aggiungere una piccola quantità di coadiuvanti di sinterizzazione (come MgO, SiO ₂, ecc.) per migliorare le prestazioni di sinterizzazione. Il processo di granulazione a spruzzo viene spesso utilizzato per ottimizzare la fluidità delle particelle. L'alcool polivinilico (PVA) o la paraffina solubile in acqua vengono aggiunti come legante per rendere la polvere sferica, di densità ridotta e con un angolo di fluidità inferiore a 30°.

2. Processo di formatura
Selezionare il metodo di stampaggio appropriato in base alla forma e ai requisiti di precisione dei componenti strutturali. I processi di stampaggio più comuni includono:

-Stampaggio a secco: adatto a forme geometriche semplici (come pezzi con un rapporto lunghezza/diametro ≤ 4:1), può essere stampato rapidamente a una pressione di 200MPa mediante presse idrauliche o meccaniche, con un'efficienza di stampaggio di 15-50 pezzi/minuto.
-Stampaggio in gesso: adatto a parti complesse e irregolari, utilizza stampi in gesso per assorbire l'umidità dell'impasto e solidificarlo in forma. È necessario aggiungere all'impasto un demulsionante (come la poliacrilammide) e un legante (come la metilcellulosa) per stabilizzare il sistema di sospensione.
Tecnologia di stampaggio per colata e pre-incorporazione: Per i componenti strutturali complessi contenenti micropori o canali, l'impasto di allumina viene colato in lastre e pre-incorporato con materiale di riempimento in polivinilbutirrale (PVB), che viene poi formato mediante pressatura isostatica a temperatura (75-100 ℃, 100-200MPa). Dopo la sinterizzazione, il materiale di riempimento evapora per formare precisi canali di pori.
-Formatura a pressione isostatica: Applicando una pressione uniforme (200-400 MPa) attraverso mezzi liquidi o gassosi, la densità della billetta è maggiore e più uniforme, adatta a strutture complesse.

3. Processo di sinterizzazione
La sinterizzazione è la fase centrale che determina le proprietà della ceramica e che densifica le particelle attraverso un legame ad alta temperatura. I processi di sinterizzazione più comuni includono:

-Sinterizzazione a pressione atmosferica: effettuata a temperature elevate, superiori a 1600 ℃, adatta a componenti strutturali convenzionali.
-Pressatura isostatica a caldo (HIP): La pressione uniforme in mezzi gassosi ad alta temperatura e ad alta pressione può aumentare la densità di 30-50%, adatta a prodotti ad alto valore aggiunto come i cuscinetti per l'aviazione e i componenti del combustibile nucleare.
-Sinterizzazione con pressatura a caldo: sinterizzazione sotto pressione (10-40 MPa), la temperatura di sinterizzazione può essere ridotta a 1400-1600 ℃ e la densità è superiore a 99,5%.
-Sinterizzazione al plasma di scintille (SPS): riscaldamento rapido (diverse centinaia di °C/min), tempi brevi (5-20 minuti) per la completa densificazione, granulometria fine.

L'embrione sinterizzato deve essere sottoposto a un'ispezione a raggi X per garantire che non vi siano crepe interne o difetti di porosità, gettando le basi per la successiva lavorazione di precisione.

4, lavorazione di precisione
La durezza della ceramica di allumina di elevata purezza è seconda solo a quella del diamante (livello di durezza Mohs 9), pertanto richiede l'uso di utensili superduri e della tecnologia CNC per la lavorazione di precisione. I metodi di lavorazione più comuni includono:

-Taglio con utensili al diamante: Le macchine per l'incisione e la fresatura della ceramica sono dotate di utensili in nitruro di boro cubico (CBN) o diamante, che consentono di ottenere una precisione micrometrica ottimizzando i parametri di taglio (velocità>3000 giri/min, avanzamento 0,01 mm/tempo).
-Molatura e lucidatura: per la rettifica si utilizzano mole diamantate (granulometria # 200- # 2000), con una rugosità superficiale Ra fino a 0,1 μ m. La lucidatura graduale, dalla rettifica grossolana alla rettifica fine, e infine l'utilizzo di polvere di allumina di grado submicronico o di gesso diamantato, consente di ottenere un effetto a specchio.
-Elaborazione laser: I laser a femtosecondi o a picosecondi possono essere utilizzati per la foratura e il taglio, con una precisione di ± 5 μ m, adatta a microstrutture ultrasottili o complesse.
-Lavorazione a scarica elettrica: Adatta per scanalare e tagliare ceramiche di elevata durezza incidendo i materiali attraverso la scarica.
-Lavorazione a ultrasuoni: utilizza vibrazioni ad alta frequenza per rettificare pezzi con pareti sottili o complessi, riducendo il rischio di rottura dei bordi.

5, trattamento della superficie
Per migliorare ulteriormente le prestazioni dei componenti strutturali in ceramica, il trattamento superficiale è una fase indispensabile. I metodi di trattamento superficiale più comuni includono:

Lucidatura: la lucidatura chimico-meccanica (CMP) può ridurre la rugosità superficiale a Ra<1nm, adatta per finestre ottiche e componenti a semiconduttore.
-Rivestimenti: A seconda dei requisiti, è possibile applicare alle superfici ceramiche rivestimenti resistenti alla corrosione.

6. Ispezione della qualità
Dopo la lavorazione, è necessaria un'ispezione completa della qualità dei componenti strutturali in ceramica di allumina di elevata purezza, che comprenda l'accuratezza dimensionale, la levigatezza della superficie, i difetti interni, ecc. Per rilevare i difetti interni si utilizzano comunemente tecnologie come i test a raggi X e gli ultrasuoni.

La tecnologia di lavorazione dell'alta purezza componenti strutturali in ceramica di allumina è complessa e precisa, dalla preparazione delle materie prime al trattamento superficiale finale, ogni fase ha un impatto significativo sulle prestazioni del prodotto finale.