D'une simple poudre aux composants structurels en céramique d'alumine : exploration des assistants invisibles qui se cachent derrière eux
Les composants en céramique d'alumine, dotés d'excellentes propriétés telles qu'une dureté élevée, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion et une bonne isolation, sont largement utilisés dans l'électronique, le médical, l'aérospatiale et d'autres secteurs. Des composants électroniques de précision aux pièces mécaniques pour environnements difficiles, on trouve des composants en céramique d'alumine partout. Cependant, la simple addition d'eau à la poudre d'alumine et sa cuisson à haute température ne permettent pas d'obtenir directement ces composants céramiques hautes performances aux excellentes propriétés. L'utilisation d'additifs joue un rôle crucial.
L'alumine pure a un point de fusion pouvant atteindre 2050 °C, et la température de frittage doit généralement dépasser 1600 °C. Ceci entraîne non seulement une consommation énergétique élevée, mais aussi une granulométrie grossière et une dégradation des performances. De plus, l'alumine elle-même est très fragile, et les céramiques frittées directement sont sujettes aux fissures, ce qui complique le respect des exigences des appareils de précision. Les fonctions des additifs sont les suivantes :
1. réduire la température de frittage (économie d’énergie et réduction des coûts) ;
2. améliorer la densité (réduction des pores et renforcement de la résistance) ;
③ optimisation de la structure des joints de grains (amélioration de la ténacité et de la résistance aux chocs thermiques) ;
④ réguler les propriétés électriques/thermiques (telles que l'isolation et la conductivité thermique).
Cet article présente plusieurs additifs couramment utilisés :
1. Flux : Réduisent la température de frittage et améliorent la densité.
L'alumine a un point de fusion élevé, et le frittage direct consomme non seulement énormément d'énergie, mais impose également des exigences extrêmement élevées aux équipements. L'apparition des flux a résolu ce problème. Il s'agit d'un régulateur de température capable de réduire la température de frittage des céramiques d'alumine, rendant le processus de frittage plus efficace et économe en énergie.
(1) Le dioxyde de titane (TiO₂) est l'un des fondants les plus courants. Lors du frittage, il peut réagir avec l'alumine pour former un eutectique, réduisant ainsi la température d'apparition de la phase liquide. Ce phénomène est similaire à celui observé en cuisine : l'ajout d'assaisonnements spécifiques permet aux ingrédients d'atteindre plus rapidement leur état de cuisson idéal.L'utilisation du dioxyde de titane comme flux peut non seulement réduire la température de frittage, mais également améliorer dans une certaine mesure la dureté des céramiques d'alumine.Par exemple, dans certains coupeurs en céramique d'alumine utilisés pour les processus de coupe, l'ajout d'une quantité appropriée de dioxyde de titane peut rendre les coupeurs plus résistants à l'usure tout en maintenant une dureté élevée, prolongeant ainsi leur durée de vie.
(2) L’oxyde d’yttrium (Y₂O₃) est également un flux important.Il peut inhiber la transformation de phase cristalline de l'alumine à haute température, maintenant la stabilité de la structure céramique.Pour les produits céramiques en alumine ayant des exigences extrêmement élevées en matière de stabilité thermique, tels que les bases de composants électroniques utilisés dans des environnements à haute température, l'ajout d'oxyde d'yttrium peut conférer aux composants céramiques une bonne résistance aux chocs thermiques, les rendant moins sujets à la fissuration dans des environnements à changements de température rapides.
(3) L'oxyde de calcium (CaO) a également pour effet de réduire la température de frittage. Il peutformer un eutectique avec l'alumine, réduisant la consommation d'énergie, tout en empêchant une croissance excessive des grains, ce qui est propice à l'obtention de céramiques à structure à grains fins.Les céramiques à structure fine présentent généralement une résistance et une ténacité supérieures. Pour certaines pièces en céramique d'alumine soumises à des forces externes importantes, comme les composants résistants à l'usure des équipements mécaniques, l'ajout d'oxyde de calcium peut améliorer les performances des pièces.
2. Agents de renforcement et de durcissement : améliorent la ténacité à la fracture et réduisent la fragilité.
Bien que les céramiques d'alumine présentent une dureté élevée, leur ténacité est relativement faible, ce qui les rend sujettes à la rupture fragile sous l'effet d'un impact externe. L'apparition d'agents de renforcement et de durcissement est comparable à l'application d'une couche de "armor" sur les composants en céramique d'alumine, ce qui peut améliorer efficacement leur résistance et leur ténacité.
carbure de siliciumLe SiC est un agent de renforcement et de durcissement couramment utilisé. Ses particules sont uniformément réparties dans la matrice d'alumine.Lorsque le composant céramique est soumis à des forces externes, les particules de SiC peuvent entraver la propagation des fissures.C'est comparable à la pose d'obstacles sur une route : lorsqu'une fissure rencontre ces particules, elle modifie sa direction de propagation, consommant ainsi plus d'énergie et rendant le composant céramique moins sujet à la fracture. Dans les roulements en céramique d'alumine utilisés dans des environnements à fortes charges, l'ajout de carbure de silicium peut améliorer considérablement la capacité portante et la durée de vie des roulements.
nitrure de bore(BN) est également un membre de la famille des agents de renforcement et de durcissement. Ilpeut améliorer les performances de frottement des céramiques et renforcer leur résistance et leur ténacitéDans certains composants en céramique d'alumine exigeant de bonnes performances de frottement, comme les bagues en céramique utilisées pour l'étanchéité, l'ajout de nitrure de bore peut réduire le frottement et l'usure entre les composants, améliorer l'étanchéité et renforcer la résistance des composants pour une plus grande durabilité. Cependant, si la quantité ajoutée dépasse 10 %, la dureté peut être réduite ; il est donc nécessaire d'équilibrer la lubrification et la résistance.
3. Additifs fonctionnels : ajuster les propriétés électriques, thermiques ou optiques
En plus d'améliorer les propriétés de base, les additifs fonctionnels peuvent également conférer aux composants céramiques en alumine des propriétés uniques pour répondre aux besoins de différents domaines.
(1)Oxydes de terres rares, tels que le lanthane et le cérium, sont des magiciens de l'amélioration des propriétés électriques. Dans certains composants en céramique d'alumine utilisés en électronique, comme les substrats céramiques pour circuits haute fréquence,l'ajout d'oxydes de terres rares peut ajuster la constante diélectrique et la tangente de perte des céramiques, améliorer leurs performances électriques,les rendre plus adaptés au travail dans des environnements à haute fréquence et élargir leur champ d'application dans le domaine de l'électronique.
(2) Colorantssont les "artists" qui ajoutent des couleurs aux composants en céramique d'alumine.Les colorants tels que l’oxyde de chrome et l’oxyde de cobalt peuvent réagir avec l’alumine pour produire des céramiques de différentes couleurs.Dans certains produits céramiques ayant des exigences décoratives, tels que la vaisselle en céramique et les ornements décoratifs, l'ajout de colorants peut rendre les composants céramiques plus beaux et plus diversifiés, répondant aux besoins esthétiques de différents consommateurs.
4. Liants et auxiliaires de moulage : améliorent la fluidité de la poudre et la résistance au moulage.
Dans le processus de formage des composants en céramique d'alumine, les liants et les auxiliaires de moulage jouent un rôle crucial. Tels des héros de l'art, ils transforment silencieusement la poudre d'alumine en pièces structurelles de formes variées.
Les liants organiques, tels que l'alcool polyvinylique (PVA) et le polyacrylate, agissent comme de la colle, lier les poudres d'alumine ensemble pendant le formage du corps vert pour conférer au corps vert une certaine résistancepour le traitement ultérieur et le frittagePrenons l'exemple du moulage en bande : le PVA permet de disperser uniformément des poudres d'alumine dans un solvant pour former une pâte présentant une viscosité et une fluidité appropriées, qui est ensuite coulée en un film vert grâce au procédé de moulage en bande. Une fois le film vert sec, les liants comme le PVA conservent sa forme et sa structure, empêchant toute déformation lors des traitements ultérieurs.
Les auxiliaires de moulage comprennent des lubrifiants, des dispersants, etc. Les lubrifiants peuvent réduire la friction entre la poudre et le moule, minimiser l'usure du moule et assurer une densité uniforme du corps vert.Lors du pressage à sec, l'ajout d'une quantité appropriée de lubrifiant peut faciliter le remplissage du moule par la poudre, améliorant ainsi la densité de la pâte crue.d'autre part, assurer une dispersion uniforme de la poudre dans la suspension pour éviter l'agglomération.Dans le moulage par injection, les dispersants jouent un rôle particulièrement important en permettant à la boue d'avoir une bonne fluidité, facilitant son injection dans le moule pour former des composants céramiques de formes complexes.
Les additifs jouent un rôle indispensable dans le processus de fabrication des composants en céramique d'alumine. Ils contribuent pleinement à la production de ces composants, notamment en réduisant la température de frittage, en améliorant les performances et en leur conférant des propriétés et un façonnage uniques. Grâce aux progrès technologiques constants, de nouveaux types d'additifs pourraient émerger à l'avenir, offrant ainsi de nouvelles possibilités d'amélioration des performances et d'élargissement des applications des composants en céramique d'alumine.