李拓文，喬 木

(1.沈陽(yáng)市民營(yíng)科技機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)服務(wù)中心，沈陽(yáng) 110003;2.遼寧省輕工產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心，沈陽(yáng) 110032)

增強(qiáng)增韌氧化鋁陶瓷電連接器的制備

李拓文1，喬 木2

(1.沈陽(yáng)市民營(yíng)科技機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)服務(wù)中心，沈陽(yáng) 110003;2.遼寧省輕工產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心，沈陽(yáng) 110032)

以氧化鋁陶瓷作為基質(zhì)材料，通過(guò)向氧化鋁材料中添加納米氧化鋁粉，同時(shí)添加α型氧化鋁板晶顆粒來(lái)改善氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能.試樣在1 650℃溫度下燒成，并加入La2O3、MgO等氧化物降低燒成溫度.試驗(yàn)表明:添加納米氧化鋁粉和α型氧化鋁板晶顆粒后，材料的強(qiáng)度和韌性得到明顯提高.

納米氧化鋁粉;板晶氧化鋁;增強(qiáng);增韌;氧化鋁陶瓷;電連接器

本文旨在開發(fā)一種用于特定環(huán)境下的氧化鋁陶瓷電連接器.該陶瓷電連接器既要有足夠的強(qiáng)度及韌性，以滿足振動(dòng)環(huán)境下的力學(xué)性能要求，也要符合相應(yīng)的電絕緣性及尺寸要求.氧化鋁陶瓷以其具有的硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域.同時(shí)，氧化鋁陶瓷還有原料來(lái)源廣、價(jià)格相對(duì)便宜的特點(diǎn)，一直受到人們的重視.但作為結(jié)構(gòu)陶瓷來(lái)講，因其存在脆性大、均勻性差、韌性較差等缺點(diǎn)而在有些方面的應(yīng)用還受到限制.目前，已開發(fā)出多種增韌方式，例如納米增韌、纖維增韌、顆粒增韌、相變?cè)鲰g等.納米物質(zhì)因具有較強(qiáng)的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，使得晶粒的表面能增加，燒結(jié)活性增強(qiáng)，添加納米物質(zhì)可以使材料顯微結(jié)構(gòu)均勻一致，顯著地降低燒結(jié)溫度，提高致密度，極大地改善材料的力學(xué)性能［1～3］，得到性能優(yōu)良的Al2O3陶瓷.近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的應(yīng)用，納米增韌成為解決Al2O3陶瓷韌性差的一種常用方式［4，5］.同時(shí)，為進(jìn)一步提高材料性能，在微米氧化鋁粉中添加了少量的α型板晶Al2O3顆粒［6～8］，也作為一種提高Al2O3陶瓷強(qiáng)度及韌性的有效途徑.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料選擇及配料

實(shí)驗(yàn)采用α－Al2O3作為基質(zhì)材料，其基本性能見表1.

表1 α－Al2O3原料的基本性能Table 1 The basic properties ofα－Al2O3raw materials

為了降低燒結(jié)溫度，選用La2O3、MgO等氧化物作為添加劑;為了提高材料的力學(xué)性能，以α型納米Al2O3和α型板晶Al2O3作為增強(qiáng)、增韌劑.La2O3、MgO均為分析純化學(xué)試劑，α型納米Al2O3粒徑為50～80nm，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ＞99.5%.板晶Al2O3尺寸為6～10 μm，其徑厚比為6∶1.

納米增強(qiáng)是在微米氧化鋁粉中添加納米氧化鋁粉并進(jìn)行復(fù)合，從而提高材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，也可改善材料的高溫性能.微米級(jí)橋連增韌，是選用一定粒徑的板晶氧化鋁將其引入到Al2O3基質(zhì)中作為增強(qiáng)劑，通過(guò)板晶對(duì)其周圍的裂紋進(jìn)行橋聯(lián)使裂紋的兩個(gè)面產(chǎn)生向內(nèi)的閉合力，抑制裂紋的擴(kuò)展，從而提高材料的強(qiáng)度和斷裂韌性;同時(shí)，也使材料具有較好的抗熱震性能.選擇第二相顆粒的前提條件是不能給基質(zhì)材料的電絕緣性能帶來(lái)不利影響，因此，對(duì)于納米和板晶材料應(yīng)選用同質(zhì)的Al2O3材料.

實(shí)驗(yàn)選擇氧化鋁陶瓷作為基質(zhì)材料，采用納米增強(qiáng)和微米級(jí)板晶橋連增韌相復(fù)合的方法，對(duì)氧化鋁陶瓷基質(zhì)材料進(jìn)行增強(qiáng)增韌處理.其試樣配方見表2.

表2 試樣配方的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Sample composition(Mass fraction)%

1.2 材料制備工藝流程

材料制備的工藝流程見圖1.

圖1 材料制備的工藝流程Fig.1 Technological process for preparation of the product

1.3 試樣制備

1.3.1 原料混合

α－Al2O3基質(zhì)材料與添加劑按設(shè)計(jì)比例進(jìn)行配比后，要與分散好的α－納米Al2O3料漿一起放入攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行研磨和混合;為了讓料漿具有較好的流動(dòng)性和造粒后的粉料具有成形性能，在研磨前還要在配合料中加入少量的分散劑和黏結(jié)劑.在研磨混料工藝中，料∶水∶球的質(zhì)量比為1∶(0.7～0.8)∶2～3.為防止板晶被磨得過(guò)細(xì)而破壞板晶的結(jié)構(gòu)，在研磨結(jié)束前10 min才向配合料中放入板晶，球磨時(shí)間由出磨后料漿粒度來(lái)決定，配合料漿粒度為D50=1.0 μm(粒徑小于1.0 μm的顆粒占50%).

納米顆粒的分散是決定納米增強(qiáng)效果的主要因素.因此，納米分散料漿的制備是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié).首先要將納米料漿配成較低的濃度，其中，料與水的質(zhì)量比為1∶2，同時(shí)還要加入表面改性劑對(duì)納米Al2O3進(jìn)行表面處理，使納米顆粒更好地分散.

經(jīng)分散的納米料漿與配合料中的其他原料一起，在攪拌球磨中經(jīng)物理攪拌混合后，在表面活性劑的作用下，均勻分散在微米顆粒中.料漿出磨后，再采用超聲波分散，利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫高壓或強(qiáng)沖擊波和微射流等，可大幅度地弱化納米粒子間的作用力，有效地防止納米粒子團(tuán)聚而使之充分分散.從而，制備出相對(duì)理想的配合料料漿.

1.3.2 噴霧造粒

坯體成形采用干壓成形的方法，為滿足成形要求，采用噴霧造粒方式制備顆粒，因其具有良好的流動(dòng)性，易于填充模具.合理的顆粒級(jí)配保證緊密堆積，顆粒既易于破壞又具有一定的強(qiáng)度，同時(shí)使干壓制品具有一定的強(qiáng)度.

采用二流體噴霧造粒方式.為了得到合格的造粒粉料，必須合理地控制好噴霧造粒的相關(guān)參數(shù).如果進(jìn)口溫度高于300℃，一方面黏結(jié)劑的損耗大，降低了素坯強(qiáng)度;另一方面，使顆粒表面形成硬殼，不利于成形，影響后期燒結(jié).出口溫度應(yīng)控制在110℃以上，若溫度過(guò)低，顆粒水分大，會(huì)影響流動(dòng)性和成形性能，并造成漿料粘壁.二次空氣壓力必須控制得當(dāng)，壓力大小都將影響顆粒級(jí)配.二流體相關(guān)工藝參數(shù)見表3.

表3 二流體相關(guān)工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of the two fluid

造粒后粉料顆粒的松散密度為 1.0～1.2 g/cm3，平均粒徑為160 μm，流動(dòng)性11 s，能夠滿足成形要求.

1.3.3 成形

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，成形工藝一般采用兩種方法:熱壓鑄成形和干壓成形.對(duì)于熱壓鑄成形，要求干法研磨混料，因?yàn)樵谂浜狭现泻屑{米和板晶材料，難以將配合料混合均勻，導(dǎo)致燒成后的制品產(chǎn)生缺陷，而降低制品的強(qiáng)度和韌性.此外，含有納米粉和板晶的配合料和蠟后流動(dòng)性較差，不利于熱壓鑄成形，因此，采用了干壓成形方法.

首先，要根據(jù)材料的收縮率來(lái)確定干壓模具的尺寸，因電連接器的尺寸較小，模具采用一模四腔，對(duì)于多腔模具要求模具制作精度和安裝精度較高，電連接器為非閉合環(huán)形形狀，因此要選擇合適的成形壓力保證其成形，干壓成形壓力為150～200 MPa.

成形過(guò)程是保證電連接器最終尺寸精度的關(guān)鍵過(guò)程.在這個(gè)過(guò)程中，要注意以下兩個(gè)環(huán)節(jié): (1)每次使用具有相同松散密度的同一批粉料; (2)每次成形選擇相同的成形壓力.只有這樣才能保證素坯尺寸及燒結(jié)后成品尺寸的穩(wěn)定性.

1.3.4 干燥和燒結(jié)

成形后的制品內(nèi)還有少量水分，如不干燥，直接放入爐中，燒結(jié)后的制品會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象.同時(shí)，干燥過(guò)程能增加素坯強(qiáng)度，防止素坯在裝爐過(guò)程中破損.干燥溫度為110℃，干燥時(shí)間3～5 h.

為防止制品燒結(jié)變形，干燥后的制品應(yīng)埋在同質(zhì)氧化鋁粉中，裝入匣缽放入爐中進(jìn)行燒結(jié).燒結(jié)氣氛為空氣，PID調(diào)節(jié)控溫，燒結(jié)溫度為1 650℃，燒結(jié)時(shí)間為10～13 h，高溫保溫1.5 h，自然降溫.燒結(jié)溫度曲線見圖2.

圖2 燒結(jié)溫度曲線Fig.2 The sintering temperature curve

2 材料性能檢測(cè)及精加工

2.1 性能檢測(cè)

燒結(jié)后試樣的常規(guī)性能檢測(cè)結(jié)果見表4.這些性能指標(biāo)可以滿足使用要求.

表4 試樣的常規(guī)性能Table 4 Normal properties of the samples

2.2 精加工

鑒于對(duì)陶瓷電連接器的尺寸精度要求較高，燒結(jié)后的陶瓷電連接器經(jīng)檢查如無(wú)裂紋和明顯的變形，還需對(duì)其進(jìn)行精加工.精加工采用金剛石微型磨具，手工對(duì)陶瓷電連接器的內(nèi)外徑和側(cè)面開口部分進(jìn)行研磨處理，直至達(dá)到所需要的尺寸精度要求.

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)向微米氧化鋁中引入納米氧化鋁和板晶氧化鋁，可以提高氧化鋁陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性.

(2)制品的各項(xiàng)性能指標(biāo)可滿足使用要求.

(3)采用干壓成形、埋粉燒成、后期加工方法解決了制品尺寸精度的問(wèn)題.

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Preparation of reinforced and toughened alumina ceramics for the electric connector

Li Tuowen，Qiao Mu

(1.Shenyang Non－governmental Scientific and Technological Enterprise Coordination and Service Center，Shenyang 110003，China; 2.Liaoning Province Light Industry Products Quality Inspection Center，Shenyang 110032，China)

Taken the alumina ceramics as basic materials，the mechanical property was improved by using α－tabular alumina powders and nanometer alumina powders.The samples were sintered at 1 650℃.La2O3and MgO were added to reduce the sintering temperature.The results showed that the toughness and the flexural strength of the products were obviously improved.

nanometeralumina powders;tabularalumina;reinforcement;toughening;alumina ceramics; electric connector

TG 174.758

A

1671-6620(2014)01-0037-04

2013-06-02.

李拓文 (1960—)，男，高級(jí)工程師，E－mail:lituowen@126.com.