在氧化鋁陶瓷中摻雜TiO2是一種常見的做法。TiO2摻雜對氧化鋁陶瓷的影響是多方面的，大體可分為兩個方面，一方面是對其燒結的影響，另一方面是對其性能的影響。

　　今天我們聊一下TiO2摻雜對氧化鋁陶瓷致密化的影響。

　　在燒結理論中，TiO2摻雜對氧化鋁陶瓷燒結的影響是一個十分經典的例子。在如今《無機材料物理化學》或《無機材料科學基礎》之類的書中，只要有介紹陶瓷燒結章節，差不多都要提到這個例子。一般說過，當摻雜量適當的時候，TiO2摻雜對于氧化鋁陶瓷的燒結會起到較明顯的促進作用。其原因有三個方面：

　　一、Ti4+離子能固溶到氧化鋁晶格中，晶格畸變而活化。α-Al2O3屬六方晶系，氧離子形成六方最緊密堆積，鋁離子分布在八面體空隙中，晶格常數a=0.4759nm；金紅石TiO2晶體屬四方晶系，氧離子形成稍變形的六角密集，鈦離子也處于八面體空隙中，晶格常數a=0.459nm。二者的晶格常數數值相近。同時，六配位 Al3+的離子半徑為0.061nm，六配位 Ti4+的離子半徑為0.069nm，二者也比較接近，所以能形成置換型固溶體。但由于Ti4+離子和Al3+離子的半徑有所差別，因此固溶后會導致氧化鋁晶格畸變而活化。

　　二、由于Ti4+與Al3+電價不同，因此固溶后會在氧化鋁晶粒中產生大量空位。其缺陷方程可表示如下：

　　大量正離子空位的形成，一方面會使氧化鋁的晶格產生更大的畸變，燒結活性進一步提高。另一方面，空位擴散系數也會大幅度提高，加速燒結時傳質的進行。

　　三、在高溫燒結時，由于爐膛溫度呈弱還原性，Ti4+可能轉變成Ti3+，使離子半徑由 0.069nm 增大到0.075nm。這也會使氧化鋁的晶格畸變為嚴重，燒結活性變得更高。

　　有意思的是，TiO2這種促進燒結的作用，不僅表現在其“單摻”的時候。即便和其它物質一起“共摻”，其促進燒結的作用也能表現出來。比如，有人采用MgO和TiO2一起對氧化鋁陶瓷進行摻雜，摻雜總量保持在1%。結果發現，隨著TiO2比例的提高，同一溫度下燒結密度也較高。還有研究表明，在液相燒結的條件下，TiO2的促燒作用也很明顯。比如，有人用CuO-TiO2共摻的方法低溫燒結氧化鋁陶瓷。雖然CuO-TiO2本身會形成低共溶物促進致密化，但隨著TiO2比例的提高，配比遠離低共熔點時，氧化鋁陶瓷的燒結密度卻更高。更有意思的是，這種促進燒結的作用也不僅對氧化鋁單相陶瓷有效，即使是對氧化鋁基的復相陶瓷同樣有效。比如，有人在Al2O3-ZrO2復相陶瓷中加入1%TiO2，1400℃下燒結密度從未添加時的97.5%提高到99%以上。

　　當然，在氧化鋁陶瓷中實際摻雜TiO2時，還要考慮很多因素。比如，摻雜量的控制就十分重要。由于剛玉和金紅石晶體結構不同，因此Ti4+離子只能在氧化鋁晶格中形成有限固溶體。有人認為，當TiO2摻雜摻量大于其在氧化鋁中的固溶度時，對于促燒并沒有過多的好處。相反，當摻雜量過高時，有可能出現晶粒生長或異常晶粒長大等現象，也有可能會出現第二相，這都會導致氧化鋁陶瓷密度下降。另外，TiO2的顆粒大小以及氧化鋁粉體顆粒本身大小也會對促燒作用有明顯影響。比如，有人發現，細晶粒的納米TiO2往往比微米級的TiO2往往更有利于氧化鋁陶瓷的燒結。還有人研究發現，當氧化鋁的粒徑< 1μm時，隨氧化鈦含量增加，燒結機制從晶界擴散轉向體擴散；當粒徑介于 1-2μm 之間時，晶界擴散同體擴散同時共存。當粒徑更大時，晶界擴散為主要擴散機制。

　　值得說明的是，雖然有文獻報道過多的TiO2的摻雜對氧化鋁的燒結不一定有利，但實際上我們還是能見到不少摻雜較多TiO2的例子。此時考慮的重點往往不是促進燒結，而是改善其性能。比如，當制備氧化鋁微波介質陶瓷時，為了調節其頻率溫度系數，TiO2的摻雜量會比較大（~8%），此時主要考慮的就是要將氧化鋁陶瓷的頻率溫度系數τf控制在0ppm/℃附近。更多資訊請關注李衛聊科技哦！