Výhody keramiky z oxidu hlinitého (Al₂O3) jsou dobře známé: vysoká tvrdost, vysoký bod tání, vynikající odolnost proti korozi a opotřebení. Konvenční beztlakové slinování se však snaží zcela eliminovat vnitřní póry, což omezuje pevnost, průhlednost a spolehlivost materiálu kvůli zbytkovým defektům. Pro dosažení plného zhuštění bez nadměrného hrubnutí zrna zavedly inženýrské přístupy aplikaci vnějšího tlaku při zvýšených teplotách, přičemž nejreprezentativnějšími metodami jsou lisování za tepla (HP) a izostatické lisování za tepla (HIP). Termální plazmová technologie navíc prokázala jedinečnou hodnotu při výrobě vysoce kvalitních práškových oxidu hlinitého.
Lisování za tepla (HP)
Lisování za tepla zahrnuje aplikaci jednoosého mechanického tlaku na práškový výlisek během zahřívání, kombinování tváření a slinování v jediném kroku. Tlak je typicky v rozmezí 20–50 MPa a teplota se nastavuje mezi 1400 stupni a 1700 stupni v závislosti na velikosti částic a čistotě oxidu hlinitého. Vnější tlak působí jako další hnací síla pro zahušťování, účinně podporuje přeskupování částic a plastický tok, čímž „vytlačuje“ póry dříve, než dojde k výraznému růstu zrna. Výsledkem je, že lisování za tepla může dosáhnout téměř teoretické hustoty při nižších teplotách než beztlakové slinování.
Klasickou aplikací lisování za tepla je průhledná aluminová keramika. Běžně slinutý polykrystalický oxid hlinitý je neprůhledný kvůli rozptylu světla na hranicích zrn a pórech. Lisování za tepla může snížit pórovitost pod 0,1 %, čímž se získá keramika se znatelnou propustností ve viditelné oblasti, která se používá v pouzdrech vysokotlakých sodíkových výbojek, infračervených oknech a podobných aplikacích. U substrátů z oxidu hlinitého s vysokou tepelnou vodivostí se také často používá kombinovaný proces lisování za tepla nebo odlévání pásky plus lisování za tepla. Když je jemný práškový oxid hlinitý lisován za horka při teplotě asi 1550 stupňů, relativní hustota může přesáhnout 98,8 % a tepelná vodivost dosahuje přibližně 37 W/(m·K), což splňuje požadavky na rozptyl tepla výkonových integrovaných obvodů.
Pro keramické součásti se složitými tvary,lití lisováním za tepla(nízkotlaké vstřikování) nabízí další technickou cestu. Prášek oxidu hlinitého se smíchá s pojivem na bázi parafínu, vstříkne do kovové formy, ochladí, vyjme z formy a poté podrobí odstranění pojiva a slinování. Tato metoda poskytuje vysokou rozměrovou přesnost a dobrou povrchovou úpravu, díky čemuž je vhodná pro sériovou výrobu složitých dílů, i když je nutná pečlivá kontrola procesu odstraňování pojiva, aby se předešlo defektům.
Izostatické lisování za tepla (HIP)
Izostatické lisování za tepla používá jako tlakové médium argon nebo dusík k aplikaci vysokého izotropního tlaku (typicky 100–200 MPa) na obrobek při současném zahřívání. Ve srovnání s jednoosým lisováním za tepla poskytuje HIP rovnoměrnější rozložení tlaku a dokáže zpracovat složité tvarované díly nebo dávkové zatížení. HIP se aplikuje na oxid hlinitý ve dvou hlavních režimech: jako krok po úpravě ke zhutnění dříve slinuté keramiky, která stále obsahuje malé množství uzavřené pórovitosti, nebo jako přímý proces slinování HIP, ve kterém je zapouzdřený prášek plně zhuštěn v jednom kroku.
Výzkumná data ukazují, že keramika z oxidu hlinitého ošetřená HIP v podstatě dosahuje teoretické hustoty (3,98 g/cm³), s velikostí zrn regulovanou v rozmezí 2–8 μm a téměř eliminovanými póry. Například při zpracování při 1700 stupních a 150 MPa lze tvrdost a pevnost v ohybu aluminy zlepšit o 8 %–10 % ve srovnání s beztlakovými slinutými vzorky. U kompozitů s matricí oxidu hlinitého, jako je keramika vyztužená whiskery Al2O3/SiC, zvyšuje kombinace mikrovlnného slinování následovaného HIP hustotu z 97,5 % na 99,6 % a zvyšuje lomovou houževnatost o 10 %.
HIP je zvláště důležitý v oblasti biomedicíny. Umělé hlavice kyčelního kloubu z oxidu hlinitého vyžadují extrémně vysokou spolehlivost a odolnost proti únavě; Úprava HIP eliminuje vnitřní mikrodefekty, jejichž výsledkem jsou pevnosti v ohybu přesahující 600 MPa. Podobně kompozitní keramika z oxidu hlinitého tvrzeného zirkonem (ZTA) často prochází HIP, aby se dosáhlo úplného zhuštění, což zajišťuje dlouhodobou stabilitu při použití v lidském těle.
Zařízení HIP je samozřejmě drahé a procesní cyklus je relativně dlouhý; je typicky vyhrazen pro vysoce výkonné aplikace, jako jsou letecké součásti, lékařské implantáty, špičková ložiska a těsnění odolná proti opotřebení.
Příprava práškového oxidu hlinitého pomocí tepelné plazmy
Výše uvedené způsoby kladou jasné požadavky na vlastnosti výchozího prášku (čistota, velikost částic, morfologie a dispergovatelnost). Termální plazmová technologie poskytuje efektivní způsob výroby vysoce kvalitního prášku oxidu hlinitého. Princip spočívá v přivádění hliníkového prášku nebo hliníkového drátu do tepelné plazmové trysky (s teplotami dosahujícími několika tisíc stupňů Celsia), kde dochází k okamžitému roztavení a oxidaci na oxid hlinitý, který je následně rychle ochlazen na ultra jemné kulovité částice.
The alumina powder obtained by this method exhibits a high spheroidization rate, narrow particle size distribution (typically sub micron to a few microns), high purity (>99,9 %) a dobrou tekutost, díky čemuž se dobře hodí pro tepelné stříkání, odlévání pásek a vstřikování. Ve srovnání s chemickými cestami se metoda termálního plazmatu vyznačuje krátkým procesním tokem, žádným vypouštěním kapalného odpadu a snadnou škálovatelností. Sférický prášek oxidu hlinitého se nyní zrale používá v oblastech, jako jsou tepelně vodivá plniva pro elektronické obaly, přesná leštící brusiva a povlaky tepelné bariéry.