張文政 劉正 毛萍莉 王趲

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110178；2.沈陽(yáng)化工大學(xué)材料學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142）

0 引言

MgO陶瓷常以輕燒MgO為原料制備而成，它具有高熔點(diǎn)、低密度、優(yōu)良的抗堿金屬熔體腐蝕性等特點(diǎn)，因此在冶金、環(huán)保、化工、能源等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。但是，由于MgO具有離子鍵性，使之熔點(diǎn)達(dá)2850℃，在燒結(jié)過(guò)程中，產(chǎn)生的液相極少，其燒結(jié)主要靠晶體的再結(jié)晶來(lái)完成，導(dǎo)致MgO的燒結(jié)溫度高，這使制造MgO陶瓷不但需要消耗大量的能源，而且還需要消耗大量需要高溫?zé)傻母呒?jí)耐火材料(例如爐具及其保溫隔熱材料)和高溫加熱元器件。研究表明：在燒結(jié)陶瓷過(guò)程中，燒成溫度每降低100℃，單位產(chǎn)品熱耗會(huì)降低10%以上；燒成時(shí)間每縮短10%，則產(chǎn)量增加10%，熱耗降低4%[1]。所以高溫?zé)Y(jié)會(huì)使企業(yè)成本居高上升，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展后勁不足。特別是，過(guò)高的燒成溫度會(huì)導(dǎo)致MgO陶瓷主晶相晶粒長(zhǎng)得過(guò)大而不利于制品性能的改善和提高。

MgO不但熔點(diǎn)很高，而且在其熔點(diǎn)以下蒸氣壓亦很高，容易升華，導(dǎo)致燒結(jié)困難。因此，為了降低MgO陶瓷的燒結(jié)溫度，許多研究者做了大量工作[2-8]。目前工業(yè)上MgO陶瓷的燒結(jié)方法一般是采用專門(mén)的設(shè)備進(jìn)行加壓燒結(jié)，設(shè)備復(fù)雜，操作繁瑣，本文中則是采用添加低熔點(diǎn)氟化物的方法進(jìn)行液相燒結(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

LiF、NaF和MgF2均為市售分析純?cè)噭?，MgO：w.t%(MgO)≥96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，325目。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

各試樣經(jīng)過(guò)20MPa的壓力壓制成Φ40mm× 10mm的試樣，經(jīng)過(guò)自然干燥，依據(jù)不同的升溫制度，在硅鉬棒電爐中進(jìn)行燒結(jié)，并對(duì)所得制品進(jìn)行測(cè)試。

MgO粒徑變化實(shí)驗(yàn)是將MgF2∶MgO=2∶5（質(zhì)量比）的混合物，按照混合物∶無(wú)水乙醇=1∶1（質(zhì)量比）的比例配成漿體，在球磨機(jī)中球磨5h后在100℃下干燥至恒重，最后對(duì)燒結(jié)所得粉體粒徑進(jìn)行測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

采用德國(guó)布魯克公司型號(hào)為D8Advance的X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行XRD分析；

采用日本電子株式會(huì)社型號(hào)為JSM-6360LV高低真空掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行顯微分析；

采用型號(hào)為Microtrac S3500的激光粒度分析儀對(duì)樣品進(jìn)行粒徑分析；

圖1 添加N a F的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.1 SEM of caustic calcined MgO ceramics with NaF

圖2 添加L i F的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.2 SEM of caustic calcined MgO ceramics with LiF

圖3 添加Mg F2的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.3 SEM of caustic calcined MgO ceramics with MgF2

圖4 添加MgF2的電熔MgO/MgF2制品SEM圖譜Fig.4 SEM of fused MgO ceramics with MgF2

按照QB/T1547-92標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行線收縮率分析。

2 結(jié)果討論

2.1 添加不同助熔劑制品的圖譜

從圖1可以看出，輕燒MgO/NaF制品斷口平而光亮。MgO為體心立方，斷裂面是解理平臺(tái)，而輕燒MgO與添加的NaF陽(yáng)離子半徑相差太大，未能形成置換型固溶體，表現(xiàn)為穿晶脆性斷裂。

從圖2和圖3可以看出，輕燒MgO/LiF和輕燒MgO/MgF2制品斷口有許多單獨(dú)形成的裂紋，具有解理斷裂的形貌特征，同時(shí)又伴有少量微孔坑覆蓋斷面，有明顯的剪切韌窩和撕裂韌窩，說(shuō)明輕燒MgO和LiF、MgF2形成的固溶體韌性增加了。由于輕燒MgO燒結(jié)過(guò)程中線收縮率比較大，兩種制品的空隙都較大。

圖4說(shuō)明在電熔MgO中添加MgF2不僅能夠增加制品的韌性，還能夠提高制品的致密性。這是由于電熔MgO是氧化鎂在高溫下燒結(jié)后的結(jié)晶產(chǎn)物，活性更低，體積變化小，而輕燒MgO為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，活性高，在高溫下的體積穩(wěn)定性也差，因此本文優(yōu)選電熔MgO。

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)制品線收縮率的影響

陶瓷制品在燒結(jié)過(guò)程中，較低的線收縮率有助于保持制品的尺寸穩(wěn)定性。從圖5可以看出三種制品的線收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高而變大，但在相同燒結(jié)溫度下，純的輕燒MgO制品的線收縮率最大，電熔MgO/MgF2制品的線收縮率要比輕燒MgO/MgF2制品的線收縮率小，且變化趨勢(shì)平緩。d點(diǎn)和e點(diǎn)的值說(shuō)明，燒結(jié)的保溫時(shí)間延長(zhǎng)到1.5h將使輕燒MgO/MgF2制品線收縮率增大，但繼續(xù)延長(zhǎng)至2h時(shí)，則線收縮率變化不大。

圖5 燒結(jié)溫度對(duì)氧化鎂線收縮率的影響Fig.5 Effect of sintering temperatures on linear shrinkage of MgO ceramics

圖6 Mg F2/Mg O質(zhì)量比對(duì)Mg O陶瓷線收縮率的影響Fig.6 Effect of MgF2/MgO(mass ratio)on linear shrinkage of MgO ceramics

圖7 燒結(jié)溫度對(duì)電熔Mg O粒子粒徑的影響Fig.7 Effect of sintering temperatures on grain size of fused MgO

從圖6可以看出，兩種制品的線收縮率隨著MgF2/MgO配比的升高而變大，但在相同配比條件下，輕燒MgO制品的線收縮率更大，這說(shuō)明使用電熔MgO燒結(jié)所得制品的尺寸穩(wěn)定性更好。

2.4 燒結(jié)溫度對(duì)電熔粒子粒徑的影響

MgF2的熔點(diǎn)為1266℃，是一種良好的助熔劑，將其添加到電熔MgO中，有利于電熔MgO粒子的增大。從圖7可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，電熔MgO粒子的粒徑不斷增大，表現(xiàn)為粒徑分布范圍向大粒徑方向擴(kuò)展，粒子的合并也造成了大粒徑粒子的數(shù)目的增加，由于A樣品燒結(jié)溫度接近MgF2的熔點(diǎn)溫度，因此對(duì)電熔MgO粒子增長(zhǎng)的影響最為明顯。

3 結(jié)論

分別添加LiF、NaF和MgF2所得制品的SEM結(jié)果說(shuō)明：只有添加MgF2所得的制品斷裂面存在韌窩，說(shuō)明該制品是韌性斷裂的；電熔MgO/MgF2制品內(nèi)部的空隙要比輕燒MgO/MgF2制品更少；線收縮率測(cè)試結(jié)果說(shuō)明電熔MgO/MgF2制品的線收縮率最?。徊煌瑴囟认碌牧綔y(cè)試結(jié)果說(shuō)明添加MgF2可以促進(jìn)電熔MgO粒子合并，實(shí)現(xiàn)MgO低溫?zé)Y(jié)。

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