Los componentes cerámicos de alúmina, con excelentes propiedades como alta dureza, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y buen aislamiento, se utilizan ampliamente en los sectores de la electrónica, la medicina, la industria aeroespacial y otros. Desde componentes electrónicos de precisión hasta piezas mecánicas para entornos hostiles, los componentes cerámicos de alúmina se encuentran en todas partes. Sin embargo, la simple adición de agua al polvo de alúmina y su cocción a alta temperatura no permite producir directamente estos componentes cerámicos de alto rendimiento con excelentes propiedades. En este sentido, los aditivos desempeñan un papel crucial.
La alúmina pura tiene un punto de fusión de hasta 2050 °C, y la temperatura de sinterización suele ser superior a 1600 °C. Esto no solo implica un alto consumo de energía, sino que también provoca fácilmente la formación de granos gruesos y una degradación del rendimiento. Además, la alúmina en sí misma es muy frágil, y la cerámica sinterizada directamente es propensa al agrietamiento, lo que dificulta su cumplimiento con los requisitos de los dispositivos de precisión. Las funciones de los aditivos son las siguientes:
① Reducción de la temperatura de sinterización (ahorro de energía y reducción de costos);
② mejorar la densidad (reduciendo los poros y mejorando la resistencia);
③ Optimizar la estructura del límite de grano (mejorando la tenacidad y la resistencia al choque térmico);
4. Regulación de propiedades eléctricas y térmicas (como el aislamiento y la conductividad térmica).
Este artículo presenta varios aditivos de uso común:
1. Fundentes: Reducen la temperatura de sinterización y mejoran la densidad.
La alúmina tiene un punto de fusión alto, y la sinterización directa no solo consume mucha energía, sino que también impone requisitos extremadamente altos a los equipos. La aparición de fundentes ha resuelto eficazmente este problema. Funcionan como un regulador de temperatura, que puede reducir la temperatura de sinterización de la cerámica de alúmina, haciendo que el proceso de sinterización sea más eficiente y ahorre energía.
(1) El dióxido de titanio (TiO₂) es uno de los fundentes más comunes. Durante el proceso de sinterización, puede reaccionar con la alúmina para formar un eutéctico, reduciendo así la temperatura a la que aparece la fase líquida. Esto es similar a lo que ocurre en la cocina, donde la adición de condimentos especiales puede acelerar la cocción de los ingredientes. El uso de dióxido de titanio como fundente no solo reduce la temperatura de sinterización, sino que también mejora en cierta medida la dureza de la cerámica de alúmina. Por ejemplo, en algunas fresas de cerámica de alúmina utilizadas en procesos de corte, la adición de una cantidad adecuada de dióxido de titanio puede aumentar la resistencia al desgaste de las fresas, manteniendo una alta dureza, lo que prolonga su vida útil.
(2) El óxido de itrio (Y₂O₃) también es un fundente importante. Puede inhibir la transformación de la fase cristalina de la alúmina a altas temperaturas, manteniendo así la estabilidad de la estructura cerámica. En productos cerámicos de alúmina con requisitos extremadamente altos de estabilidad térmica, como las bases de componentes electrónicos utilizados en entornos de alta temperatura, la adición de óxido de itrio puede dotar a los componentes cerámicos de una buena resistencia al choque térmico, haciéndolos menos propensos al agrietamiento en entornos con cambios bruscos de temperatura.
(3) El óxido de calcio (CaO) también reduce la temperatura de sinterización. Puede formar un eutéctico con la alúmina, lo que reduce el consumo de energía y previene el crecimiento excesivo de grano, lo que favorece la obtención de cerámicas con una estructura de grano fino. Las cerámicas con una estructura de grano fino suelen presentar mayor resistencia y tenacidad. En algunas piezas de cerámica de alúmina que deben soportar grandes fuerzas externas, como los componentes resistentes al desgaste de equipos mecánicos, la adición de óxido de calcio puede mejorar el rendimiento de las piezas.
2. Agentes de refuerzo y endurecimiento: mejoran la tenacidad a la fractura y reducen la fragilidad.
Aunque la cerámica de alúmina presenta una alta dureza, su tenacidad es relativamente baja, lo que la hace propensa a fracturas frágiles al ser sometida a impactos externos. La aparición de agentes de refuerzo y endurecimiento es como aplicar una capa de dureza extrema a los componentes cerámicos de alúmina, lo que puede mejorar eficazmente su resistencia y tenacidad.
El carburo de silicio (SiC) es un agente de refuerzo y endurecimiento de uso común. Sus partículas se distribuyen uniformemente en la matriz de alúmina. Cuando el componente cerámico se somete a fuerzas externas, las partículas de SiC pueden impedir la propagación de grietas. Esto es similar a la instalación de obstáculos en una carretera: cuando una grieta choca con estas partículas, cambia su dirección de propagación, consumiendo así más energía y reduciendo la propensión del componente cerámico a fracturarse. En rodamientos cerámicos de alúmina utilizados en entornos de alta carga, la adición de carburo de silicio puede mejorar significativamente la capacidad de carga y la vida útil de los rodamientos.
El nitruro de boro (BN) también pertenece a la familia de agentes de refuerzo y endurecimiento. Puede mejorar la fricción de la cerámica y aumentar su resistencia y tenacidad. En algunos componentes cerámicos de alúmina que requieren una buena fricción, como los anillos cerámicos utilizados para sellado, la adición de nitruro de boro puede reducir la fricción y el desgaste entre los componentes, mejorar el sellado y aumentar la resistencia de los componentes, haciéndolos más duraderos. Sin embargo, si la cantidad añadida supera el 10%, la dureza puede disminuir, por lo que es necesario equilibrar la lubricidad y la resistencia.
3. Aditivos funcionales: ajustan las propiedades eléctricas, térmicas u ópticas.
Además de mejorar las propiedades básicas, los aditivos funcionales también pueden dotar a los componentes cerámicos de alúmina de algunas propiedades únicas para satisfacer las necesidades de diferentes campos.
(1) Los óxidos de tierras raras, como el lantano y el cerio, son excelentes para mejorar las propiedades eléctricas. En algunos componentes cerámicos de alúmina utilizados en electrónica, como los sustratos cerámicos para circuitos de alta frecuencia, la adición de óxidos de tierras raras puede ajustar la constante dieléctrica y la tangente de pérdidas de la cerámica, mejorar su rendimiento eléctrico, hacerlos más adecuados para entornos de alta frecuencia y ampliar su ámbito de aplicación en electrónica.
(2) Los colorantes son los artistas que añaden color a los componentes cerámicos de alúmina. Colorantes como el óxido de cromo y el óxido de cobalto pueden reaccionar con la alúmina para producir cerámica de diferentes colores. En algunos productos cerámicos con requisitos decorativos, como vajillas y adornos de cerámica, la adición de colorantes puede realzar la belleza y diversidad de los componentes cerámicos, satisfaciendo así las necesidades estéticas de diferentes consumidores.
4. Aglutinantes y coadyuvantes de moldeo: mejoran la fluidez del polvo y la resistencia al moldeo.
En el proceso de conformado de componentes cerámicos de alúmina, los aglutinantes y coadyuvantes de moldeo desempeñan un papel crucial. Son como un grupo de héroes que transforman silenciosamente el polvo de alúmina en piezas estructurales de diversas formas.
Los aglutinantes orgánicos, como el alcohol polivinílico (PVA) y el poliacrilato, actúan como pegamento, uniendo los polvos de alúmina durante el moldeado de la masa verde, dotándola de resistencia para su posterior procesamiento y sinterización. Tomemos como ejemplo la colada en cinta: el PVA puede dispersar uniformemente los polvos de alúmina en un disolvente para formar una suspensión con la viscosidad y fluidez adecuadas, que posteriormente se moldea en una película verde mediante el proceso de colada en cinta. Tras el secado de la película verde, los aglutinantes como el PVA mantienen su forma y estructura, evitando su deformación durante el procesamiento posterior.
Los auxiliares de moldeo incluyen lubricantes, dispersantes, etc. Los lubricantes pueden reducir la fricción entre el polvo y el molde, minimizar su desgaste y garantizar una densidad uniforme del cuerpo verde. En el prensado en seco, la adición de una cantidad adecuada de lubricante facilita el llenado del molde con el polvo, mejorando así la densidad del cuerpo verde. Los dispersantes, por otro lado, garantizan una dispersión uniforme del polvo en la suspensión para evitar la aglomeración. En el moldeo por inyección, los dispersantes desempeñan un papel fundamental, ya que permiten una buena fluidez de la suspensión, facilitando así su inyección en el molde para formar componentes cerámicos de formas complejas.
Los aditivos desempeñan un papel indispensable en el proceso de fabricación de componentes cerámicos de alúmina. Contribuyen de forma integral a la producción de componentes cerámicos de alúmina en diversos aspectos, desde la reducción de la temperatura de sinterización y la mejora del rendimiento hasta la concesión de propiedades y conformado únicos. Con el continuo avance tecnológico, podrían surgir nuevos tipos de aditivos en el futuro, lo que ofrecería mayores posibilidades para la mejora del rendimiento y la expansión de las aplicaciones de los componentes cerámicos de alúmina.
