Как обрабатывать керамические конструкционные элементы из высокочистого глинозема

---

Высокочистые керамические компоненты из глинозема широко используются в полупроводниковой, аэрокосмической, медицинской технике, новой энергетике и других областях благодаря своим отличным характеристикам, таким как высокая твердость, термостойкость, коррозионная стойкость, хорошая электроизоляция и низкий коэффициент теплового расширения. Однако из-за высокой твердости и хрупкости он трудно поддается обработке и требует применения специальных процессов и оборудования.

1、 Подготовка сырья
Отправной точкой для производства высокочистой глиноземной керамики является высокочистый глиноземный порошок (с содержанием Al ₂ O3 ≥ 99,9%). При использовании технологии сверхтонкого измельчения размер частиц порошка контролируется на уровне менее 1 мкм для обеспечения однородности и плотности материала. Кроме того, обычно необходимо добавить небольшое количество вспомогательных веществ для спекания (таких как MgO, SiO ₂ и т.д.) для улучшения характеристик спекания. Для оптимизации текучести частиц часто используется процесс распылительной грануляции. Поливиниловый спирт (ПВА) или водорастворимый парафин добавляется в качестве связующего вещества, чтобы сделать порошок сферическим, неплотным по плотности и менее 30° по углу текучести.

2、 Процесс формовки
Выберите подходящий метод формовки в зависимости от формы и требований к точности конструктивных элементов. К распространенным процессам формования относятся:

-Формование сухим прессованием: подходит для простых геометрических форм (например, деталей с отношением длины к диаметру ≤ 4:1), может быстро формоваться под давлением 200 МПа с помощью гидравлических или механических прессов, с эффективностью формования 15-50 штук в минуту.
-Формование с затиркой: подходит для сложных и нестандартных деталей, использует гипсовые формы для поглощения влаги из суспензии и застывания ее в форме. Для стабилизации суспензионной системы в суспензию необходимо добавить деэмульгатор (например, полиакриламид) и связующее вещество (например, метилцеллюлозу).
-Технология литьевого формования+предварительного встраивания: Для изготовления сложных структурных компонентов, содержащих микропоры или каналы, глиноземный шлам отливается в листы и предварительно заполняется поливинилбутиральным (PVB) наполнителем, который затем формируется с помощью температурного изостатического прессования (75-100 ℃, 100-200 МПа). После спекания наполнитель испаряется, образуя точные каналы.
-Изостатическое формование под давлением: Благодаря равномерному воздействию давления (200-400 МПа) через жидкую или газовую среду, плотность заготовки становится выше и равномернее, что подходит для сложных структур.

3、 Процесс спекания
Спекание - это основной этап, определяющий свойства керамики, при котором происходит уплотнение частиц за счет высокотемпературного скрепления. К распространенным процессам спекания относятся:

-Спекание под атмосферным давлением: проводится при высоких температурах свыше 1600 ℃, подходит для обычных структурных компонентов.
-Горячее изостатическое прессование (HIP): Равномерное давление в газовой среде высокой температуры и высокого давления позволяет увеличить плотность на 30-50%, что подходит для изделий с высокой добавленной стоимостью, таких как авиационные подшипники и компоненты ядерного топлива.
-Горячее прессование: спекание под давлением (10-40 МПа), температура спекания может быть снижена до 1400-1600 ℃, а плотность превышает 99,5%.
-Искровое плазменное спекание (SPS): быстрый нагрев (несколько сотен °С/мин), короткое время (5-20 минут) до полного уплотнения, мелкий размер зерна.

Спеченный эмбрион должен пройти рентгеновский контроль, чтобы убедиться в отсутствии внутренних трещин и дефектов пористости, что закладывает основу для последующей точной обработки.

4、 Прецизионная обработка
По твердости высокочистая алюмооксидная керамика уступает только алмазу (9-й уровень твердости по шкале Мооса), поэтому для ее прецизионной обработки требуется использование сверхтвердых инструментов и технологий ЧПУ. К распространенным методам обработки относятся:

-Алмазная резка: Керамические гравировальные и фрезерные станки оснащены инструментами из кубического нитрида бора (CBN) или алмазными инструментами, что позволяет достичь микрометровой точности за счет оптимизации параметров резки (скорость>3000 об/мин, скорость подачи 0,01 мм/час).
-Шлифовка и полировка: алмазные шлифовальные круги (размер частиц # 200- # 2000) используются для шлифовки, с шероховатостью поверхности Ra до 0,1 мкм. Поэтапная полировка, от грубой шлифовки к тонкой, и, наконец, с использованием субмикронного глинопорошка или алмазной гипсовой полировки, позволяет достичь зеркального эффекта.
-Лазерная обработка: Фемтосекундные или пикосекундные лазеры могут использоваться для сверления и резки с точностью ± 5 мкм, что подходит для создания ультратонких или сложных микроструктур.
-Электроэрозионная обработка: Подходит для пазовой обработки и резки керамики высокой твердости путем травления материалов с помощью разряда.
-Ультразвуковая обработка: использование высокочастотной вибрации для шлифования тонкостенных или сложных заготовок, что снижает риск разрушения кромок.

5、 Обработка поверхности
Для дальнейшего улучшения характеристик керамических структурных компонентов обработка поверхности является обязательным этапом. К распространенным методам обработки поверхности относятся:

-Полировка: Химико-механическая полировка (CMP) может уменьшить шероховатость поверхности до Ra<1 нм, что подходит для оптических окон и полупроводниковых компонентов.
-Покрытие: В зависимости от требований на керамические поверхности могут наноситься антикоррозийные покрытия.

6、 Проверка качества
После обработки требуется всесторонний контроль качества конструкционных компонентов из высокочистой глиноземистой керамики, включая точность размеров, гладкость поверхности, внутренние дефекты и т.д. Для обнаружения внутренних дефектов обычно используются такие технологии, как рентгеновский контроль и ультразвуковой контроль.

Технология переработки высокочистых конструктивные элементы из алюмокерамики сложный и точный процесс, от подготовки сырья до окончательной обработки поверхности, каждый этап которого оказывает значительное влияние на характеристики конечного продукта.