朱軍 浦雪琴 薛志崗 鄭興益

摘 要 采用不同的添加劑以等靜壓成型高溫?zé)Y(jié)制作試樣，對(duì)高純氧化鋁陶瓷進(jìn)行晶粒細(xì)化結(jié)構(gòu)研究。對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了物理性能測(cè)試和SEM觀察，對(duì)晶體的長(zhǎng)大控制以及添加劑作用機(jī)理進(jìn)行分析探討。結(jié)果顯示：適合的添加劑及用量、合適的工藝可以獲得小于5μm的細(xì)晶結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷。

關(guān)鍵詞 添加劑；細(xì)晶結(jié)構(gòu)；氧化鋁陶瓷

0 前 言

研究表明，氧化鋁陶瓷晶粒細(xì)化可以提高性能，使晶界物質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力降低，不易造成穿晶斷裂，提高材料的密度、機(jī)械性能及化學(xué)性能，顯著降低燒成溫度達(dá)到節(jié)能目的，不斷地晶粒細(xì)化是對(duì)氧化鋁陶瓷是比較難的。首先，納米級(jí)微細(xì)的α-Al2O3價(jià)格高而且容易團(tuán)聚不易分散；其次，細(xì)料有較高的表面活性，在燒結(jié)過(guò)程中易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)造成晶粒異常長(zhǎng)大。有報(bào)道顯示，加壓快燒也是是獲得細(xì)晶陶瓷的一種方法，實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸達(dá)到1～2μm。但是只適用于形狀簡(jiǎn)單陶瓷結(jié)構(gòu)件。因此選用適當(dāng)?shù)奶砑觿┮约?xì)化晶粒結(jié)構(gòu)并降低燒成溫度受到了廣泛的關(guān)注。MgO、Y2O3等幾種添加劑有較好的細(xì)化晶粒效果。一般來(lái)說(shuō)有以下兩種作用，其一，與Al2O3在晶界形成第二相以抑制晶料生長(zhǎng)使結(jié)構(gòu)晶體得以細(xì)化，或提高Al3+離子的缺陷濃度，加速Al3+離子的晶格擴(kuò)散提高結(jié)構(gòu)密度；其二，彌散顆粒、電疇運(yùn)動(dòng)來(lái)韌化氧化鋁陶瓷等。本研究主要選用不同添加劑制備性能較好的細(xì)晶結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

α-Al2O3，粒度1～3μm，純度99.90%，馬丁鋁業(yè)公司。MgO為工業(yè)純，La2O3、Y2O3為化學(xué)純。分散劑為A115，粘結(jié)劑為PVA19-88。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

以99%Al2O3為基礎(chǔ)，以正交配方進(jìn)行添加劑優(yōu)化組合，添加劑采用外加式引入，加水球磨成漿料，噴霧造粒，100MPa等靜壓成型，采用電推板窯1 570C°高溫?zé)Y(jié)，精磨加工成10×5×110mm試樣進(jìn)行性能測(cè)試。

2 物理性能測(cè)試結(jié)果

2.1六個(gè)配方試樣的硬度及抗折強(qiáng)度測(cè)試

抗折強(qiáng)度測(cè)試儀：502型；測(cè)試方法：三點(diǎn)垂直壓折法。

2.2 SEM測(cè)試分析

SEM：F-20000掃描儀；試樣斷面掃描結(jié)果見(jiàn)圖1-6。

3 結(jié)果分析與討論

3.1結(jié)果分析

由表1和SEM圖可以看出，添加劑加入量不大于1%的情況下，1#樣品硬度HRA為81，由SEM照片可以看出某些晶粒邊緣有細(xì)長(zhǎng)微晶1～5μm出現(xiàn)，大小差別明顯，且有明顯空隙；2#添加劑樣品采用全稀土元素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，硬度密度略有提升，SEM照片顯示稀土對(duì)細(xì)化晶粒作用明顯，晶粒2～3μm，但是內(nèi)部顆粒容易有團(tuán)聚，產(chǎn)生小的分裂；3#樣品密度強(qiáng)度明顯增加，SEM顯示其結(jié)構(gòu)晶體中存在明顯的第二相，并且第二相多為球形；添加劑加入量不大于0.7%的情況下，4#樣品密度、硬度和強(qiáng)度中等，其SEM顯示其中有包晶形成且晶粒不正常長(zhǎng)大現(xiàn)象，部分晶粒較為粗大，大于10μm，顆粒大小也不均勻。5#樣品硬度和強(qiáng)度比2#樣有所增加，SEM圖可以看出晶粒成長(zhǎng)較為均勻，粒徑3～7μm。6#試樣的密度、硬度和強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)最高水平，由其SEM圖可以看出其晶粒細(xì)小且分布均勻，粒徑1～3μm。系列實(shí)驗(yàn)顯示，添加劑對(duì)降低燒結(jié)溫度似有作用。由于該系列引入了少量MgO和稀土元素，使得晶粒較為細(xì)小，4#呈圓形小顆粒的第二晶相主要是MgAl2O4，而其他元素也有可能形成固溶形式進(jìn)入主晶相。

通過(guò)添加劑優(yōu)化法組合系列實(shí)驗(yàn)，取得較為明顯效果，最小平均晶粒1～μm左右，抗彎強(qiáng)度等機(jī)械性能也達(dá)到氧化鋁陶瓷材料較為理想的技術(shù)性能。

3.2 添加劑作用機(jī)理分析討論

上述分析表明，引入不同類(lèi)型的添加劑或添加劑的組合方式不同，作用效果差異較大。一般來(lái)說(shuō)添加劑可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是與Al2O3能夠生成固溶體的，如Y2O3的添加，不僅加快燒結(jié)時(shí)氣孔的逸出，還能與Al2O3生成固溶體，限制Al2O3晶?？焖匍L(zhǎng)大，并增加韌性。第二類(lèi)是能夠生成液相的，如MgO能和Al2O3等其它添加劑生成二元、三元低共融物，只要局部范圍內(nèi)滿足MgO和Al2O3比例適配，新晶相MgAl2O4便易于從熔體中析出生成第二相，起到釘扎作用限制晶粒長(zhǎng)大。但過(guò)量的MgO引入不會(huì)促進(jìn)致密過(guò)程，細(xì)化晶粒效果并不明顯。

3.3晶粒細(xì)化與結(jié)構(gòu)均勻致密

從提高性能角度出發(fā)，燒結(jié)過(guò)程應(yīng)使致密化和細(xì)晶化同時(shí)實(shí)現(xiàn)。致密化是指坯體燒結(jié)過(guò)程排除氣孔，結(jié)構(gòu)緊密，細(xì)晶化則指控制晶粒長(zhǎng)大，這是兩個(gè)不同的概念。但是氣孔與晶界之間的作用形式往往使晶粒不正常長(zhǎng)大因素之一，它們之間的依存方式對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。

抗彎強(qiáng)度σf與晶體平均粒徑d，材料內(nèi)部氣孔率p 有以下關(guān)系式：

σf= （σ0+k·d-1/2）exp-np

式中σ0、k、n均為常數(shù)。由此可以看出強(qiáng)度隨氣孔率增加呈指數(shù)規(guī)律降低，同時(shí)只有在材料內(nèi)部氣孔分布均勻，氣孔尺寸較小時(shí)，晶粒尺寸起決定作用。也說(shuō)明晶粒尺寸過(guò)大或氣孔率較高，材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低。但晶粒細(xì)化和致密有時(shí)是相互矛盾的，既要細(xì)化晶體又要提高密度是有不少困難，還要控制燒成時(shí)的溫度和壓力。

4 結(jié) 論

（1）添加劑選擇不當(dāng)時(shí)，氧化鋁陶瓷晶粒會(huì)隨燒成溫度增高，變得粗大；

（2）細(xì)晶結(jié)構(gòu)與顆粒均勻致密同時(shí)滿足條件，才能有效提高氧化鋁陶瓷材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

（3）在引入條件適當(dāng)時(shí)，Y2O3對(duì)氧化鋁陶瓷不僅有細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)作用，也具有增韌作用；有效降低燒成溫度。

（4）采用Y2O3-MgO（<0.7%）的添加劑制備氧化鋁陶瓷粉料，等靜壓成型、高溫1 570C°左右燒結(jié)，可以獲得晶粒小于1～3μm的物理性能優(yōu)良的微細(xì)結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷。

參 考 文 獻(xiàn)

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