摘 要 本實(shí)驗(yàn)主要研究了稀土Y₂O₃添加量、成形壓力和燒結(jié)溫度等對(duì)氧化鋁陶瓷的影響。研究結(jié)果表明，在Y₂O₃摻量為0.5wt%、壓力20MPa和1600℃燒成（保溫2h）的條件下，Al₂O₃陶瓷的密度可達(dá)3.9g/cm³以上，其硬度也得到了很大程度的提高。微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析表明，添加Y₂O₃不僅可以細(xì)化晶粒，還能抑制氧化鋁晶粒的異常長(zhǎng)大，使晶粒尺寸均勻而形成致密化結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 氧化鋁陶瓷，Y₂O₃，晶粒尺寸，硬度

1前言

氧化鋁是結(jié)構(gòu)陶瓷中的典型材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高﹑硬度高﹑耐腐蝕﹑耐磨損﹑電阻率大﹑熱穩(wěn)定性好等特性，能承受機(jī)械應(yīng)力﹑腐蝕﹑高溫﹑絕緣等條件苛刻的環(huán)境，廣泛應(yīng)用于電子﹑化工﹑機(jī)械等領(lǐng)域。氧化鋁的主要用途包括：與粉碎有關(guān)的球磨﹑振動(dòng)磨的磨球和內(nèi)襯、研缽、粉碎機(jī)配件等；與工具和量規(guī)類(lèi)相關(guān)的切削刀﹑卡規(guī)﹑軸承、平臺(tái)﹑支座等；與滑動(dòng)部件相關(guān)的機(jī)械密封﹑拉絲機(jī)部件﹑絲軌﹑釣具鉤﹑造紙用滑板等；與化學(xué)設(shè)備相關(guān)的閥﹑塞子﹑流量劑﹑噴嘴﹑軸承等；以及與成形設(shè)備相關(guān)的擠壓機(jī)﹑注射成形機(jī)噴嘴﹑汽缸等。另外還有噴砂嘴﹑噴霧嘴﹑高壓鈉燈發(fā)光管等。目前，對(duì)氧化鋁陶瓷的研究工作已很廣泛和深入，從75瓷到99瓷都有系統(tǒng)的研究，業(yè)已取得顯著成果[1]。

氧化鋁制品的性能因其化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)的不同而有很大變化。純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度過(guò)高，導(dǎo)致晶粒異常生長(zhǎng)，影響材料的力學(xué)性能。為降低燒結(jié)溫度，通常在氧化鋁瓷中加入燒結(jié)助劑，但加入量較少時(shí)，燒結(jié)溫度仍然偏高；加入量過(guò)大時(shí)，雖可顯著改善燒結(jié)性能，但材料力學(xué)性能卻會(huì)出現(xiàn)較大幅度的下降[2]。在氧化鋁中添加少量的稀土氧化物（如氧化釔﹑氧化鑭﹑氧化鐿﹑氧化銪等）不僅可以降低氧化鋁的燒結(jié)溫度，顯著改善其燒結(jié)性能，還可以改善其顯微結(jié)構(gòu)，明顯減小晶粒尺寸，抑制反常的晶粒長(zhǎng)大，提高氧化鋁瓷的力學(xué)性能。同時(shí)，材料的硬度也可在一定程度上得到提高。本文較系統(tǒng)地探討了稀土Y₂O₃對(duì)氧化鋁陶瓷的燒結(jié)性能、顯微結(jié)構(gòu)和硬度的影響。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 原料及其處理

陶瓷粉末：α-Al₂O₃，中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司

燒結(jié)助劑：石英、滑石、CaCO₃

稀土材料：氧化釔Y₂O₃，純度99.999%，上海躍龍化工廠(chǎng)

經(jīng)處理的氧化鋁粉體平均粒徑在1.2μm左右，粒徑分布窄，見(jiàn)圖1。

粘結(jié)劑：聚乙烯醇（PVA）

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

先在α-Al₂O₃中加入5%的燒結(jié)助劑，分成四份摻入不同量的Y₂O₃，編號(hào)如表1所示。原料采用干法球磨，料球比取1:10，球磨時(shí)間為6h。用聚乙烯醇（PVA）溶液作為粘結(jié)劑，手工造粒，過(guò)65目篩取篩下料。成形時(shí)，依次稱(chēng)取一定量的粉料，在FW-4A型壓片機(jī)上，以20MPa﹑15MPa和10MPa的壓力成形，坯體尺寸為Φ30×5mm。坯體干燥后分別在1570℃﹑1600℃及1650℃下燒成，工藝流程見(jiàn)圖2。

2.3 性能測(cè)試

（1） 硬度測(cè)試采用HBRV-187.5布洛維硬度計(jì)，山東萊州市試驗(yàn)機(jī)總廠(chǎng)

（2） 微觀(guān)性能測(cè)試采用掃描電子顯微鏡，S-570，日本日立公司（Hitachi）

（3） 粒徑測(cè)試采用OMEC LS800歐美克粒度測(cè)試儀器，歐美克科技有限公司

3結(jié)果與討論

3.1 不同成形壓力對(duì)氧化鋁瓷硬度的影響

在相同溫度（1570℃）及同樣保溫時(shí)間（1h）的前提下，采用不同壓力成形的未摻Y(jié)₂O₃的A粉氧化鋁陶瓷的硬度不同。較大的成形壓力可使氧化鋁瓷結(jié)構(gòu)更致密，排出氣孔，減少缺陷，提高粉末的結(jié)合強(qiáng)度和坯體的硬度。要降低燒結(jié)溫度，又要使樣品致密，硬度提高，增加粉體成形時(shí)的壓力無(wú)疑是有效的方法。這可從兩個(gè)方面來(lái)解釋?zhuān)海?）對(duì)于相同的粉體，素坯成形壓力高時(shí)，顆粒間的接觸點(diǎn)較多，在相同的燒結(jié)條件下，由于物質(zhì)的遷移通道多，致密化的速率得以提高，硬度增大；（2）外壓越大，素坯中的氣孔越小[3]。一般來(lái)說(shuō)，成形壓力愈大，顆粒間接觸緊密，對(duì)硬度愈有利。但若壓力過(guò)大使粉料超過(guò)塑性變形限度，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。由不同成形壓力下氧化鋁陶瓷硬度的平均值所繪出的曲線(xiàn)（圖3）可知，隨著成形壓力的增大，從10MPa﹑15MPa到20MPa，A粉氧化鋁瓷的硬度不斷提高。

3.2 Y³⁺對(duì)氧化鋁陶瓷硬度的影響

Y₂O₃的添加對(duì)氧化鋁陶瓷硬度的影響很大。摻雜釔離子不僅可以提高氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能，還可以明顯增大氧化鋁陶瓷的硬度。因?yàn)獒愲x子的添加細(xì)化了氧化鋁晶粒，減少了氣孔﹑裂紋等缺陷，使其結(jié)合更緊密，密度增大，從而顯著提高了氧化鋁陶瓷的硬度。在1600℃保溫2h，壓力20MPa條件下添加微量Y₂O₃時(shí)，氧化鋁瓷的硬度隨著Y₂O₃摻雜量的增加稍有增大，如表2所示。

由表2可知，摻Y(jié)₂O₃的氧化鋁陶瓷的硬度比未摻雜的要大得多，隨著Y₂O₃含量的增加，氧化鋁陶瓷的硬度也在一定程度上有所增大，但并不顯著，這主要是因?yàn)樵黾影俜种泓c(diǎn)幾Y₂O₃含量對(duì)整個(gè)氧化鋁陶瓷來(lái)說(shuō)是很小的，而且Y³⁺分布的不均勻性及材料本身的缺陷也對(duì)其硬度有一定的影響，所以增大效果并不明顯。

3.3 不同燒成溫度與保溫時(shí)間對(duì)氧化鋁硬度的影響

從某種意義上來(lái)說(shuō)，燒成溫度及保溫時(shí)間也對(duì)氧化鋁陶瓷的硬度有著或大或小的影響。一般而言，燒成溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，則氧化鋁陶瓷的硬度越大，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與理論有些許出入。在1570℃下保溫1h，壓力20MPa的條件下重新實(shí)驗(yàn)，得到表3的數(shù)據(jù)，比較表2和表3中的兩組數(shù)據(jù)可知，雖然表3的燒結(jié)溫度低于表2，保溫時(shí)間也比表2的短，但當(dāng)Y₂O₃的含量分別為0和1%時(shí)，表3中氧化鋁陶瓷的硬度卻比表2中的要大。其可能的原因有多種，一種是當(dāng)Y₂O₃含量偏低或偏高時(shí)，燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的變化對(duì)氧化鋁陶瓷的硬度產(chǎn)生了反作用；另一種則是由于氧化鋁陶瓷本身的缺陷以及實(shí)驗(yàn)步驟或測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的儀器誤差和人為誤差所導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不精確。

3.4 Y³⁺對(duì)氧化鋁陶瓷燒結(jié)致密度的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稀土氧化物Y₂O₃的加入顯著提高了氧化鋁陶瓷的致密度，Y₂O₃摻量在0.5%時(shí)氧化鋁陶瓷的相對(duì)密度達(dá)98.9%以上。稀土氧化物由于其性能上的特殊性，是良好的表面活性物質(zhì)，可改善Al₂O₃復(fù)合材料的潤(rùn)濕性能，降低陶瓷材料的熔點(diǎn)。加入材料中的稀土氧化物可促進(jìn)Al₂O₃與SiO₂、CaO等的化學(xué)反應(yīng)，易于形成低熔點(diǎn)液相，加上顆粒之間的毛細(xì)作用，促使顆粒間的物質(zhì)向孔隙處填充，使材料孔隙率降低，致密度提高[2]。

由圖4可知，隨著燒結(jié)溫度的適當(dāng)提高，氧化鋁的致密度也有所改善，其密度從3.87g/cm³增加到3.90g/cm³。摻雜適量Y₂O₃以后，不僅可以降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，還能較好地提高其致密度。

3.5 Y³⁺對(duì)氧化鋁陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響

在1600℃保溫2h時(shí)，氧化鋁陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與Y₂O₃的摻雜量密切相關(guān)，隨著Y₂O₃含量的增加，氧化鋁瓷的晶粒尺寸會(huì)不斷減小，氣孔﹑裂紋等缺陷也會(huì)減少，其顯微結(jié)構(gòu)更致密（圖5）。在摻入1% Y₂O₃的氧化鋁陶瓷的SEM顯微照片中可以清楚地看到：晶粒邊界處的釔離子抑制了未摻雜氧化鋁中的反常晶粒長(zhǎng)大（圖5d）。其主要原因是，未加Y₂O₃的95氧化鋁陶瓷，顆粒尺寸較大，由于其燒成溫度較高（1600℃），鋁離子在液相中的遷移速率較快，從而導(dǎo)致氧化鋁晶粒生長(zhǎng)速率較快，晶粒尺寸較大。

釔離子的半徑相對(duì)鋁離子要大得多，難以與氧化鋁形成固溶體，Loudjani等[5]報(bào)道Y₂O₃在多晶Al₂O₃中的固溶度僅為300×10^-6，因此稀土主要存在于氧化鋁陶瓷的晶界上，降低了Al₂O₃晶界遷移速率，抑制晶粒長(zhǎng)大，形成致密的顯微結(jié)構(gòu)[6～7]，稀土氧化物Y2O3的添加使氧化鋁晶粒尺寸較均勻，抑制了晶粒的異常生長(zhǎng)，小顆粒緊密填充在大顆粒之間，顆粒之間緊密性好、氣孔率小，晶體具有較高的致密度[2]。

氧化鋁陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)在一定程度上受保溫時(shí)間的影響。由實(shí)驗(yàn)以及性能分析測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)未摻雜稀土材料Y₂O₃的氧化鋁瓷而言，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，其晶粒尺寸越大（圖6）；然而，對(duì)摻了Y₂O₃的氧化鋁陶瓷而言，即使保溫時(shí)間增加，晶粒的長(zhǎng)大也受到了抑制，晶粒尺寸明顯比未摻雜的?。▓D7）。

4結(jié)論

（1） 在1600℃保溫2h燒成條件下，Y₂O₃摻量為0.5%時(shí)，氧化鋁陶瓷的密度可達(dá)到3.90g/cm³以上，材料具有較高的致密性；

（2） 稀土材料Y₂O₃的添加可以明顯減小氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸，改善其顯微結(jié)構(gòu)。此外，燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間也會(huì)對(duì)氧化鋁陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)有一定影響；

（3） 在氧化鋁陶瓷中Y₂O₃的添加對(duì)其硬度的影響很大。摻入Y₂O₃的氧化鋁陶瓷其硬度比未摻雜的要大得多。但隨著Y₂O₃摻雜量的增加氧化鋁陶瓷硬度的增大并不顯著。此外，成形壓力、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間也會(huì)在一定程度上影響氧化鋁陶瓷的硬度。

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