Al2O3 keramika yra viena kietesnių techninių keramikos rūšių, kurios Vikerso kietumas viršija 16 GPa. Ji išlaiko lenktinį stiprumą aukščiau 400 MPa aplinkos temperatūroje, leidžiant pramoninėms guoliams ir pjovimo įrankiams veikti daugiau nei 10 000 eksploatacijos valandų didelio dėvėjimosi aplinkose beveik nepakeičiant matmenų.
Turint lydymosi tašką, viršijantį 2050 °C, Al2O3 išlaiko 98 % savo stiprumo kambario temperatūroje esant 1100 °C. Ši termoinertiškumas leidžia tiksliesiems komponentams išlaikyti ilgalaikes šilumines apkrovas tokiose srityse kaip turbolininiai varikliai, kurių darbo temperatūra pasiekia 1000 °C, o vietiniai įtempiai viršija 750 MPa.
Al2O3 koncentruotų rūgščių poveikyje per 500 valandų patiria mažiau nei 0,1 % masės nuostolių, o tai tris kartus viršija nerūdijančio plieno atsparumą korozijai. Dėl savo cheminės stabilumo šis medžiaga yra būtina puslaidininkių gamybos įrangai ir aukštos grynumo cheminių medžiagų tiekimo sistemoms, kurios kontaktuoja su stipriais tirpikliais.
2025 m. medžiagų tyrimas dokumentuoja Al2O3 gebėjimą išlaikyti 95 % pradinės stiprumo reikšmės po 20 termochocko ciklų (ΔT = 1000 °C). Keramikos žemas terminio plėtimosi koeficientas (8,1 × 10⁻⁶/K) ir vidutinė šilumos laidumas (30 W/m·K) veikia sinergetiškai, neleisdami susidaryti mikroįtrūkimams staigaus aušinimo metu.
Dauguma Al2O3 detalių gaminamos naudojant matricos presavimo technikas arba tai, kas vadinama keramikos injekciniu formavimu, dažnai sutrumpinama kaip CIM. Kai kalbame apie matricos presavimą, tai iš esmės reiškia labai švaraus aliuminio oksido miltelių suspaudimą į formas, kurios jau beveik paruoštos galutinei naudojimui. Keramikos injekcinis formavimas veikia kitaip. Šis metodas leidžia gamintojams kurti įvairias sudėtingas formas, kurios būtų neįmanomos kitais metodais, įskaitant tokias detales kaip vidinės sriegiai ir labai plonos sienelės, būdingos šiuolaikiniams dizainams. Tai, kas daro CIM ypatingą, yra tai, kad šiame procese termoplastiniai rišikliai maišomi su ultrafinėmis aliuminio oksido dalelėmis. Rezultatas? Detalės, kurios palaiko apie 0,3 % matmeninį tikslumą net prieš visiškai apdorojant. Toks tikslumas yra labai svarbus gaminant detalės su sudėtingomis aušinimo sistemomis ar labai mažomis skysčių kanalėlėmis, kurios nuo pirmos dienos turi veikti idealiai.
Sinterizacija sukelia didelį susitraukimą (15–20 %) ir gali sukelti nevienodą sutankėjimą arba fazės nestabilumą. Gamintojai šias problemas sprendžia taikydami laipsniškus kaitinimo režimus iki 1600 °C bei cirkonio legiravimą, kad būtų stabilizuota α-aliuminio oksido faze. Nustatyta, kad optimalus dalelių dydžio pasiskirstymas sumažina išlinkimą 42 % lyginant su konvenciniais metodais.
Po sinterizacijos komponentai apdirbami deimantiniais diskais, kad būtų pasiekta paviršiaus apdorojimo kokybė žemiau 0,8 μm Ra. Žaliasis apdirbimas – atliekamas ant nesinterizuotos „bisque“ aliuminio oksido keramikos – leidžia greičiau nuimti medžiagą. Pažangios CNC šlifavimo stotys integruoja optinio matavimo grįžtamąjį ryšį, kad užtikrintų ±2 μm padėties tikslumą 100 mm matmenyse, kas ypač svarbu puslaidininkių plokštelių čiuptuvams ir lazerinių vamzdelių guoliams.
Skaitmeninio šviesos valdymo (DLP) technologijos įvedimas kartu su vat fotopolimerizacija iš esmės pakeitė mūsų gamybos būdą aliuminio oksido produktams, leidžiant pasiekti elementų matmenis mažesnius nei 20 mikrometrų. Šios pridėtinės gamybos metodikos grindžiamos specialiai paruoštomis keraminėmis terpėmis, kurių kietųjų dalelių turinys siekia nuo 60 iki 80 procentų. Tai leidžia kurti sudėtingas geometrines struktūras, tokius kaip gardeliai ir vidiniai kanalai, kurie anksčiau buvo neįmanomi naudojant tradicinius gamybos metodus. Atsižvelgiant į naujausius šios srities pasiekimus, gamintojai dabar gali pagaminti detalias iš 99,7 % gryno aliuminio oksido su paviršiaus apdorojimu, kurio lygumas yra 0,8 mikrometro arba dar geresnis. Tokių rezultatų kokybė konkuruoja su detalėmis, pagamintomis tradiciniais injekcinio formavimo būdais, o kartais netgi jas pranoksta.
Modernus 3D spausdinamas aliuminio oksidas pasiekia ±0,1 % matmeninį tikslumą dėka tikslaus tyros reologijos valdymo ir dirbtinio intelekto pagalbinio sluoksnio kompensavimo. Prieaugio procesai pašalina įrankių nusidėvėjimo kintamumą, išlaikant <5 μm padėties kartojamumą visose statybų eilėse. Tyrimai parodė, kad spausdintas Al2O3 pasiekia 98,5 % teorinį tankį, o lūžio atsparumas pagerėja iki 4,5 MPa·m¹/² dėl optimizuotos dalelių frakcijos.
Inovatyvūs dezaktyvinimo ir sinterizacijos protokolai sumažina tiesinį susitraukimą nuo 18–22 % iki mažiau nei 15 %, mažindami mikroįtrūkimus jautriose struktūrose. Kelių etapų terminiai profiliai su kontroliuojamais kaitinimo greičiais (1–3 °C/min) išsaugo mechaninį vientisumą. Tyrimai rodo, kad grafenu legiruotos Al2O3 formulės padidina lenktinį stiprumą 34 % (pasiekiant 480 MPa), efektyviai įveikiant istorinį trapumą spausdinamose keramikose.
Aliuminio oksido savybės labai priklauso nuo to, kiek jis yra grynas. Pagrindinėms aplikacijoms, tokioms kaip dėvėjimosi plokštės ar izoliuojantys komponentai, pakanka 96 % grynumo lygio, nes jis sudaro tinkamą pusiausvyrą tarp kainos ir tokių savybių kaip kietumas apie 12 GPa Vikerso skalėje bei pakankama šiluminė laidumas apie 18 W vienam metrui Kelvinui. Kai pereinama prie aukštesnio grynumo lygio, pavyzdžiui 99,7 %, trūdumo atsparumas pagerėja apie 30 % – tai daro šias medžiagas ypač tinkamas naudoti puslaidininkių apdirbimo įrangai, kur svarbus paviršiaus švarumas. Yra netgi ultraaukšto grynumo rūšys – 99,95 %, kurios gali tapti optiškai skaidrios ir atsparios korozijai net esant sunkioms pH sąlygoms. Tačiau šioms aukščiausios kokybės medžiagoms reikalingas itin intensyvus apdorojimas, įprastai būtina sintravimo temperatūra arti 1 700 laipsnių Celsijaus, kad būtų pašalinti visi likę porai medžiagos struktūroje.
| Grynumo laipsnis | Pagrindinės savybės | Pramoninės programos |
|---|---|---|
| 96% | Kainos efektyvus, apdirbamas | Izoliatoriai, purkštuvų antgaliai |
| 99.7% | Didelis dielektrinis stipris, mažas dėvėjimosi greitis | Vakuumo kamerų, lazerinių komponentų |
| 99.95% | Bioinertiškas, <0,5 % porėtumas | Medicininiai implantai, optiniai pagrindai |
Pasirinkus tinkamą aliuminio oksido rūšį, svarbiausia rasti tą optimalią vietą tarp to, kas veikia gerai, ir kas atitinka biudžetą. Ultra grynos 99,95 % modifikacijos kaina siekia keturis ar šešis kartus didesnę už įprastų rūšių kainą, tačiau suteikia MEMS jutikliams nepaprastai aukštą tikslumą iki mikrono lygio. Praėjusiais metais atlikti tyrimai parodė dar kažką įdomaus: naudojant 96 % aliuminį siurblių sandaroms, įmonės išleidžia apie 40 % mažiau lėšų baigiamiesiems darbams, tuo pačiu išlaikydamos matmenis vos žemiau penkių mikronų. Kalbant apie CNC šlifavimo įrankius, 99,7 % aliuminio mišinys su tam tikru kiekiu cirkonio padaro šiuos įrankius žymiai atsparesnius įtrūkimams, nesumažindamas jų gebėjimo atlaikyti aukštą temperatūrą, kuri kartais gali pasiekti net 1500 laipsnių Celsijaus. Toks derinys leidžia gamintojams pritaikyti medžiagas pagal tiksliai tai, ko reikia jų operacijoms, bei pagal tai, kas finansiškai protinga konkrečioje situacijoje.
Aliuminio oksidas (Al2O3) yra lyderis pramonės srityje, kur reikalingas ilgas tarnavimo laikas, sudarydamas apie 41 % visų šiuolaikinių mechaninių sistemų naudojamų pažangiosios keramikos tipų. Paimkime elektros izoliatorius – iš 99,7 % gryno aliuminio oksido pagaminti izoliatoriai išlaiko dielektrinį stiprumą, viršijantį 15 kilovoltų milimetru, net esant temperatūrai 500 laipsnių Celsijaus. Nepamirškime ir sinteruotų keramikos guolių, kurie mašinose, veikiančiose dideliais apsukimais, patiria apie 80 % mažesnį nusidėvėjimą lyginant su jų plieniniais atitikmenimis. Cheminių perdirbimo įmonėms, dirbantiems su agresyviomis medžiagomis, Al2O3 dėvėjimosi žiedai yra praktiškai nepakeičiami, kadangi jie atlaiko abrazyvias kongrecijas, tekėjančias vamzdžiais greičiais, viršijančiais 12 metrų per sekundę, nesirodant jokiems nusidėvėjimo požymiams.
Puslaidininkų pramonėje gamintojai labai priklauso nuo itin gryno aliuminio oksido, kad pagamintų tas mažytes, bet svarbias dalis. Plokšteles tvarkančios priemonės dažnai gaminamos iš Al2O3, nes jos išlaiko paviršių itin lygų – apie 0,1 mikrono Ra arba geresnį, kas neleidžia teršalams sugadinti mikroschemų gamybos metu. Vakuumo sistemoms Al2O3 pagrindu gaminamos sandaros atlaiko nepaprastai žemus nutekėjimo greičius, tokio dydžio kaip 1e-9 mbar litrų per sekundę, net esant 450 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Būtent toks našumas leidžia taikyti ekstremaliai ultravioletinę litografiją švariuose kambariuose. Be to, pastaruoju metu situacija dar labiau pagerėjo. 99,95 % grynumo aliuminio oksidu gaminamos detalės dabar išgyvena tūkstančius kaitinimo ir aušinimo ciklų atominių sluoksnių depositavimo aparatuose, nesusidėvėdamos, kas yra didelis žingsnis į priekį patikimumui šiose reikalaujančiose aplikacijose.
Vedantys gamintojai dabar integruoja mašininį mokymąsi su pridėtine gamyba, kad sudėtingose geometrijose deginimo deformacijas sumažintų 30 %. Tikrojo laiko dirbtinio intelekto stebėjimas dėl rišiklio nešiojimo procesų pasiekia ±5 μm matmeninį tikslumą per 150 mm konstrukcijas, leidžiant masinę keraminių uždegimo branduolių oro kosminėms varikliams individualizaciją.
Aliuminio oksidas tikrai gali atlaikyti tokias siauras mikronų lygio tolerancijas, tačiau visada buvo problema dėl susitraukimo sinteruojant, kuris svyruoja apie 15–20 procentų. Toks nevienodumas daro jį sudėtingu išlaikyti tikslumo standartus. Laimei, naujesnė krosnių technologija, įranga su dilatometrijos valdymu, pradeda šią problemą spręsti tiesiogiai. Šios sistemos naudoja gana protingą prognozuojančią matematiką, kad kompensuotų medžiagų netolygų susitraukimą, kai jos kaitinamos. Dėl to gamintojai sėkmingai pasiekė beveik 99,3 % tikslumą gaminant keraminius antgazes, naudojamus lazerinės apkarpymo įrangose, naudojant HIP sinteravimo procesus. Nors tai vis dar toli gražu neidealu, šis pasiekimas reiškia didelę pažangą siekiant suderinti tai, ką šios medžiagos gali daryti, su tuo, ko iš jų tikrai reikia realiomis pramoninėmis sąlygomis.
EN
