肖 強(qiáng)肖 軍

（1.長(zhǎng)沙市望城區(qū)食品藥品工商質(zhì)量監(jiān)督管理局，長(zhǎng)沙 410200；2.長(zhǎng)沙市西歐電子科技有限公司，長(zhǎng)沙 410200）

1 引言

氧化鋁（Al2O3）陶瓷是一種以α－Al2O3為主晶相的陶瓷材料，也稱為剛玉瓷，其氧化鋁含量一般在75%～99%之間。習(xí)慣上以配料中氧化鋁的含量進(jìn)行分類，氧化鋁含量在75%左右的為“75瓷”，含量在85%的為“85瓷”，含量在90%的為“90瓷”，含量在99%的為“99瓷”等［1］。Al2O3陶瓷具有室溫強(qiáng)度高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，以及原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，目前被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、環(huán)保、電子、冶金和復(fù)合材料等領(lǐng)域［2～4］。

但是 Al2O3熔點(diǎn)較高（2050℃），導(dǎo)致 Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度普遍較高，在生產(chǎn)過程中不僅需要消耗大量的能源，而且對(duì)燒結(jié)設(shè)備的要求也較高。有關(guān)資料表明［5，6］，將氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度由1600～1650℃降至 1450～1500℃，燒成能耗可降低 25～35%。從節(jié)約資源、降低能耗、減少成本的角度考慮，Al2O3陶瓷的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)研究目前成為了一項(xiàng)重要的研究課題［7，8］。

本研究采用工業(yè)化生產(chǎn)的氧化鋁粉末為主要原料，將氧化鋁粉末與燒結(jié)助劑（添加劑）按質(zhì)量比9∶1 的比例稱量配料。分別選擇 MnO2－TiO2、MgOTiO2、TiO2－MnO2－MgO、MnO2－TiO2－La2O3和 TiO2－MgO－La2O3等體系復(fù)相添加劑作為90氧化鋁陶瓷的燒結(jié)助劑，對(duì)比研究不同體系復(fù)相添加劑以及不同的保溫時(shí)間對(duì)90氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

氧化鋁（Al2O3）（純度≥99.0%，湖南長(zhǎng)沙華科特種陶瓷材料有限公司）；氧化鈦（TiO2）（化學(xué)純，上?；瘜W(xué)試劑站分裝廠）；氧化鎂（MgO）（分析純，湖南湘中精細(xì)化學(xué)品廠）；氧化鑭（La2O3）（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；二氧化錳（MnO2）（分析純，廣東臺(tái)山化工廠）；聚乙烯醇［HO（CH2CH2）］n（分析純，湖南衡陽凱信化工試劑有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

FA2004分析電子天平（上海良平儀器儀表有限公司）；QM－1F行星式球磨機(jī)（湖南湘潭市儀器儀表公司）；101A－1型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；DY-30臺(tái)式電動(dòng)粉末壓片機(jī)（天津市科器高新技術(shù)公司）；SX2-8-16箱式電爐（湘潭市中山儀器廠）；DSJ-2電子靜水力學(xué)天平（上海良平儀器儀表有限公司）；HRS-150洛氏硬度計(jì)（山東萊州萊華硬度試驗(yàn)機(jī)廠）；WDW-100電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)（山東濟(jì)南恒瑞金試驗(yàn)機(jī)有限公司）。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）根據(jù)表1的原料配方表，將氧化鋁與燒結(jié)助劑分別進(jìn)行稱量配料。

（2）將稱好的粉料置于球磨罐中，以氧化鋁瓷球?yàn)檠心ンw，按料∶球石∶水＝1∶1.5∶1.2 的比例加入研磨體和水，在行星式球磨機(jī)中快速球磨4h后，取出料漿置于105℃的干燥箱中烘干備用。

（3）在干燥粉料中加入適量的濃度為 5wt%聚乙烯醇（PVA）溶液作為粘結(jié)劑，在研缽中充分混合均勻，混合后用40目篩造粒，在200MPa下模壓成型，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱（105℃）干燥12h。

（4）將干燥后的樣品放入箱式電阻爐中以2℃/min的升溫速率升至600℃保溫1h排除有機(jī)物質(zhì)。然后以平均約3℃/min的升溫速率在 1350℃、1450℃、1550℃燒結(jié)并保溫2h，得到90氧化鋁陶瓷樣品。

（5）將以上不同溫度下燒結(jié)得到的陶瓷樣品進(jìn)行性能測(cè)定，然后進(jìn)行分析和比較，優(yōu)化出綜合性能最好的一組配方，再在相同的溫度下燒結(jié)并分別保溫4h和8h，隨爐冷卻后即得到氧化鋁陶瓷。

2.4 性能測(cè)定及表征

將高溫?zé)Y(jié)得到的90氧化鋁陶瓷樣品經(jīng)過打磨、拋光后測(cè)定其體積密度和體積收縮率。然后把樣品切割成條狀，并采用材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，跨距為20mm，加載速度為0.5mm/min。陶瓷試樣硬度由洛氏硬度計(jì)測(cè)得。氧化鋁配方粉料球磨前后的粒度大小及其分布由Easysizer20型激光粒度分析儀測(cè)定。

表1 原料配方表 /wt%

圖1 90氧化鋁陶瓷的配方5粉料在球磨前和球磨4 h后的粒度分布

3 結(jié)果與討論

3.1 配方粉體原料的粒度分析

選擇配方5粉料，對(duì)球磨前以及球磨4h后的試樣采用激光粒度分析儀測(cè)定粒度，其結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，配方試樣球磨前的粒度較大，中位徑（D50）為12.52μm。而氧化鋁配方粉料經(jīng)過球磨4h后，中位徑（D50）大大減小，中位徑減小為D50＝2.70μm。由圖可知，粉體粒徑分布范圍較窄，基本呈正態(tài)分布，說明原料粉體經(jīng)過4h的球磨細(xì)化后，其顆粒尺寸大大減小，這將有利于90氧化鋁陶瓷的燒結(jié)致密化。

3.2 氧化鋁陶瓷的燒結(jié)性能

3.2.1 配方5在不同燒結(jié)溫度保溫2h下得到的樣品體積密度和體積收縮率

表2為不同燒結(jié)溫度下配方5的體積密度和體積收縮率，其保溫時(shí)間都為2h。由表2可知，氧化鋁陶瓷在相同的配方和相同的保溫時(shí)間下，隨著溫度的升高，體積密度和體積收縮率都呈增大趨勢(shì)。從表2中不難看出，在燒結(jié)溫度為1550℃時(shí)，90氧化鋁陶瓷的體積密度和體積收縮率均達(dá)到最大，分別為3.39g/cm3和33.53%。

表2 配方5在不同燒結(jié)溫度下得到的樣品的體積密度和體積收縮率

3.2.2 配方4在1450℃不同保溫時(shí)間下得到的樣品的體積密度和體積收縮率

表3為同一燒結(jié)溫度配方4下不同保溫時(shí)間的90氧化鋁陶瓷體積密度和體積收縮率。由表3可知，氧化鋁陶瓷在同一配方和相同燒結(jié)溫度下，隨著保溫時(shí)間的增加體積密度和體積收縮率都呈增大趨勢(shì)。從表中不難看出，當(dāng)保溫時(shí)間為4h時(shí)，陶瓷樣品的體積密度和體積收縮率分別為3.59g/cm3和31.09%；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)到8h時(shí)，陶瓷樣品的體積密度和體積收縮率均有所增大（但增加的幅度不是太大），分別達(dá)到3.75g/cm3和32.45%。

3.3 氧化鋁陶瓷的洛氏硬度

3.3.1 燒結(jié)溫度的影響

表4為不同配方的90氧化鋁陶瓷在不同燒結(jié)溫度下的洛氏硬度，其保溫時(shí)間都為2h。由表4可知，隨著溫度的升高洛氏硬度大部分呈增大趨勢(shì)，但有小部分洛氏硬度是隨著溫度的升高剛開始是逐漸增大的，到達(dá)一定值之后又慢慢減小。同時(shí)可知，不同配方下的90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度值相差是比較大的。從表中可以看出，第4組陶瓷配方在燒結(jié)溫度為1450℃時(shí)，90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度達(dá)到最大，為86.1HRA，由此說明第4組添加劑配方對(duì)于陶瓷的燒結(jié)致密產(chǎn)生了很好的促進(jìn)作用，賦予了陶瓷樣品優(yōu)異的力學(xué)性能。

3.3.2 保溫時(shí)間的影響

表5為同一燒結(jié)溫度和同一配方下不同保溫時(shí)間的90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度。由表5可知，氧化鋁陶瓷在同一配方下，隨著保溫時(shí)間的增大洛氏硬度先增大后減小。從表中可以看出，在燒結(jié)溫度1450℃保溫時(shí)間為4h時(shí)，洛氏硬度達(dá)到最大，為86.5HRA，之后保溫時(shí)間延長(zhǎng)到8h時(shí)，又出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。這可能是由于陶瓷樣品達(dá)到燒結(jié)致密以后，過長(zhǎng)的燒結(jié)保溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致試樣產(chǎn)生的過燒現(xiàn)象，試樣中的晶粒異常長(zhǎng)大，從而對(duì)陶瓷樣品的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

表3 配方4在1450℃燒結(jié)下不同保溫時(shí)間的體積密度和體積收縮率

表4 不同配方，不同燒結(jié)溫度下所得陶瓷樣品的洛氏硬度

表5 配方4在1450℃下保溫不同時(shí)間所得陶瓷樣品的洛氏硬度

表6 配方4在不同溫度和不同保溫時(shí)間下的抗彎強(qiáng)度（MPa）

3.4 氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度

表6為同一配方在不同燒結(jié)溫度和不同保溫時(shí)間下的90氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度。從表6中可以看出，同一配方下，陶瓷樣品的抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間分別為1350℃和2h時(shí)，抗彎強(qiáng)度為197.36MPa；當(dāng)燒結(jié)溫度增大到1450℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到極大值，為292.36MPa。對(duì)比在燒結(jié)溫度為1450℃，保溫時(shí)間分別為2h、4h和8h所得陶瓷試樣的抗彎強(qiáng)度可知，其變化趨勢(shì)也是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。陶瓷樣品的抗彎強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與前面的洛氏硬度變化趨勢(shì)基本一致。由表6相關(guān)數(shù)據(jù)可知，在1450℃下保溫4h后所得陶瓷試樣的抗彎強(qiáng)度為最佳（342.88MPa）。

4 結(jié)論

4.1 在所選擇的MnO2-TiO2、MgO-TiO2、TiO2-MnO2-MgO、MnO2-TiO2-La2O3和 TiO2-MgO-La2O3等體系復(fù)相添加劑中，以MnO2-TiO2-La2O3復(fù)相添加劑作為復(fù)合燒結(jié)助劑最好，在合適的制備條件下可以制得比較致密的90氧化鋁陶瓷制品。

4.2 燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間對(duì)氧化鋁陶瓷的致密化、力學(xué)性能等方面有重要的影響。當(dāng)選擇MnO2-TiO2-La2O3體系的燒結(jié)助劑時(shí)，在1450℃下保溫4h制得的90氧化鋁陶瓷的綜合性能最佳，其對(duì)應(yīng)的抗彎強(qiáng)度和洛氏硬度分別為342.88MPa和86.5HRA。