Keunggulan keramik alumina (Al₂O₃) sudah dikenal luas: kekerasan tinggi, titik leleh tinggi, ketahanan korosi dan aus yang sangat baik. Namun, sintering tanpa tekanan konvensional kesulitan menghilangkan pori-pori internal sepenuhnya, sehingga membatasi kekuatan, transparansi, dan keandalan material karena cacat sisa. Untuk mencapai pemadatan penuh tanpa pengerasan butiran yang berlebihan, pendekatan teknik telah memperkenalkan penerapan tekanan eksternal pada suhu tinggi, dengan pengepresan panas (HP) dan pengepresan isostatik panas (HIP) menjadi metode yang paling representatif. Selain itu, teknologi plasma termal telah menunjukkan nilai unik dalam produksi bubuk alumina berkualitas tinggi.
Pengepresan Panas (HP)
Pengepresan panas melibatkan penerapan tekanan mekanis uniaksial pada serbuk padat selama pemanasan, menggabungkan pembentukan dan sintering dalam satu langkah. Tekanan biasanya berkisar antara 20–50 MPa, dan suhu disesuaikan antara 1400 derajat dan 1700 derajat tergantung pada ukuran partikel dan kemurnian alumina. Tekanan eksternal bertindak sebagai kekuatan pendorong tambahan untuk pemadatan, yang secara efektif mendorong penataan ulang partikel dan aliran plastik, sehingga "memeras" pori-pori sebelum terjadi pertumbuhan butiran yang signifikan. Hasilnya, pengepresan panas dapat mencapai kepadatan mendekati teori pada suhu yang lebih rendah dibandingkan sintering tanpa tekanan.
Keramik alumina transparan adalah aplikasi klasik pengepresan panas. Alumina polikristalin yang disinter secara konvensional bersifat buram karena hamburan cahaya pada batas butir dan pori-pori. Pengepresan panas dapat mengurangi porositas hingga di bawah 0,1%, menghasilkan keramik dengan transmitansi yang cukup besar dalam rentang terlihat, yang digunakan dalam selubung lampu natrium bertekanan tinggi, jendela inframerah, dan aplikasi serupa. Substrat alumina dengan konduktivitas termal yang tinggi juga sering menggunakan pengepresan panas atau pengecoran pita ditambah proses gabungan pengepresan panas. Ketika bubuk alumina halus ditekan panas pada suhu sekitar 1550 derajat, kepadatan relatif dapat melebihi 98,8% dan konduktivitas termal mencapai sekitar 37 W/(m·K), memenuhi persyaratan pembuangan panas sirkuit terpadu daya.
Untuk komponen keramik dengan bentuk kompleks,pengecoran pengepresan panas(cetakan injeksi tekanan rendah) menawarkan jalur teknis lain. Bubuk alumina dicampur dengan pengikat berbahan dasar parafin, disuntikkan ke dalam cetakan logam, didinginkan, dibongkar, dan kemudian dilakukan debinding dan sintering. Metode ini memberikan akurasi dimensi yang tinggi dan penyelesaian permukaan yang baik, sehingga cocok untuk produksi batch komponen yang rumit, meskipun kontrol yang cermat terhadap proses pelepasan ikatan diperlukan untuk menghindari cacat.
Pengepresan Isostatik Panas (PANGGUL)
Pengepresan isostatik panas menggunakan argon atau nitrogen sebagai media tekanan untuk menerapkan tekanan isotropik tinggi (biasanya 100–200 MPa) pada benda kerja sekaligus memanaskannya. Dibandingkan dengan pengepresan panas uniaksial, HIP memberikan distribusi tekanan yang lebih seragam dan dapat menangani komponen berbentuk kompleks atau beban batch. HIP diterapkan pada alumina dalam dua cara utama: sebagai langkah pasca perlakuan untuk memadatkan keramik yang telah disinter sebelumnya yang masih mengandung sejumlah kecil porositas tertutup, atau sebagai proses sintering HIP langsung di mana bubuk yang dienkapsulasi dipadatkan sepenuhnya dalam satu langkah.
Data penelitian menunjukkan bahwa keramik alumina yang diberi perlakuan HIP pada dasarnya mencapai kepadatan teoritis (3,98 g/cm³), dengan ukuran butiran dikontrol dalam kisaran 2–8 μm dan pori-pori hampir dihilangkan. Misalnya, jika diolah pada suhu 1700 derajat dan 150 MPa, kekerasan dan kekuatan lentur alumina dapat ditingkatkan sebesar 8% –10% dibandingkan dengan sampel sinter tanpa tekanan. Untuk komposit matriks alumina, seperti keramik yang diperkuat kumis Al₂O₃/SiC, kombinasi sintering gelombang mikro yang diikuti dengan HIP meningkatkan kepadatan dari 97,5% menjadi 99,6% dan meningkatkan ketangguhan patah sebesar 10%.
HIP sangat penting dalam bidang biomedis. Kepala sendi pinggul buatan alumina memerlukan keandalan dan ketahanan lelah yang sangat tinggi; Perawatan HIP menghilangkan cacat mikro internal, sehingga menghasilkan kekuatan lentur melebihi 600 MPa. Demikian pula, keramik komposit zirkonia tangguh alumina (ZTA) sering kali menjalani HIP untuk mencapai pemadatan penuh, memastikan stabilitas jangka panjang saat digunakan dalam tubuh manusia.
Tentu saja, peralatan HIP mahal dan siklus prosesnya relatif lama; biasanya disediakan untuk aplikasi berkinerja tinggi seperti komponen luar angkasa, implan medis, bantalan kelas atas, dan segel tahan aus.
Persiapan Plasma Termal dari Bubuk Alumina
Proses di atas memberikan persyaratan yang jelas pada karakteristik bubuk awal (kemurnian, ukuran partikel, morfologi, dan dispersibilitas). Teknologi plasma termal memberikan cara yang efektif untuk menghasilkan bubuk alumina berkualitas tinggi. Prinsipnya melibatkan memasukkan bubuk aluminium atau kawat aluminium ke dalam pancaran plasma termal (dengan suhu mencapai beberapa ribu derajat Celcius), di mana bubuk tersebut langsung meleleh dan teroksidasi untuk membentuk alumina, yang kemudian dengan cepat didinginkan menjadi partikel bola ultra halus.
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%), dan kemampuan mengalir yang baik, sehingga cocok untuk penyemprotan termal, pengecoran pita, dan pencetakan injeksi. Dibandingkan dengan jalur kimia, metode plasma termal memiliki aliran proses yang singkat, tidak ada pembuangan limbah cair, dan skalabilitas yang mudah. Bubuk alumina bulat kini banyak digunakan di berbagai bidang seperti pengisi konduktif termal untuk kemasan elektronik, bahan abrasif pemoles presisi, dan pelapis penghalang termal.