王佳程,胡繼林,盛 強,戴海鐘,梁 波,劉 璇

(湖南人文科技學院材料與環(huán)境工程學院,湖南 婁底 417000)

氧化鋁陶瓷是一種以α-Al2O3為主晶的陶瓷材料,其含量一般在75%~99.9%之間。氧化鋁陶瓷具有高機械強度、高硬度、高耐磨性,以及高絕緣電阻、低介電損耗、耐熱性好等優(yōu)異特性,同時具有較低的制備成本,被廣泛應用在紡織、化工、石油、電子等眾多領域[1－3]。氧化鋁的含量不同,其性能和用途也各不相同。利用其機械強度高、絕緣電阻較大的性能,可以用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和固體電路外殼、火花塞絕緣體等;利用其強度和硬度高的性能,可以用作磨料磨具、紡織瓷件、刀具等;利用其化學性能穩(wěn)定的性能,可以用作化工和生物陶瓷、人工關節(jié)、代替鉑坩堝、催化載體,以及航空、磁流體發(fā)電材料等[4－6]。隨著科學技術的發(fā)展及制造技術的提高,新品種不斷出現(xiàn),氧化鋁陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學領域中得到越來越廣泛的應用。

氧化鋁陶瓷由于其熔點高達2 050 ℃,在其配方體系中通常需要通過添加一定量的燒結助劑來降低其燒結溫度。目前降低氧化鋁陶瓷燒結溫度的方法主要有三種:(1)細化原料粉體的細度。采用粒度小、比表面積大、表面活性高的氧化鋁超細粉末為原料,可以顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度;(2)采用特殊的燒結工藝。目前主要采用的低溫燒結工藝包括熱壓燒結、熱等靜壓燒結、微波加熱燒結、微波等離子體燒結以及放電等離子體燒結等,可以起到降低燒結溫度的作用;(3)添加燒結助劑。采用不同的設計配方,在原料中引入添加劑,通過不同的作用機理實現(xiàn)氧化鋁陶瓷的低溫燒結[7]。與其他方法相比,引入燒結助劑的方法具有成本低、效果好、工藝簡便的優(yōu)點,是目前比較有效的一種低溫燒結方法[8]。

由于氧化鋁陶瓷器件在實際應用中會受到各種環(huán)境因素的作用,因此國內(nèi)外許多學者對其耐腐蝕性進行了較多的研究。研究表明,氧化鋁對酸表現(xiàn)出較強的耐腐蝕性,但耐堿腐蝕性則稍差,其耐腐蝕性與材料自身的鋁含量、密度、孔徑分布、燒結溫度等有關[9－10]。為進一步提高氧化鋁基陶瓷的抗堿腐蝕性能,擴大該類陶瓷材料的應用范圍,本研究擬在氧化鋁基陶瓷配方體系中,引入堇青石、莫來石等原料,探討配方組成和燒結溫度對氧化鋁基復相陶瓷力學性能和抗堿腐蝕性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

本研究中所用到的實驗原料見表1。

表1 實驗原料

1.2 陶瓷樣品制備

(1)配料與球磨:使用電子分析天平按照實驗配方分別稱樣(配方見表2),然后以氧化鋯瓷球為研磨體,加入水為研磨介質(zhì),將粉料以料:球:水質(zhì)量比1∶1∶1.5配比于行星式球磨機進行球磨混料2 h,將漿料在100℃干燥箱中干燥24 h。

表2 實驗配方(質(zhì)量分數(shù)) 單位:%

(2)壓制成型:將干燥粉末與聚乙烯醇粘結劑溶液(聚乙烯醇與水的質(zhì)量比為4∶96)按照一定比例混合均勻(聚乙烯醇溶液用量見表3),然后經(jīng)過悶料24 h、研磨過40目篩、40 MPa下壓制成型后在干燥箱中100 ℃下干燥24 h。

表3 聚乙烯醇溶液用量 單位:g

(3)陶瓷燒結:將上述成型并干燥后的樣品按順序放置于陶瓷坩堝中,然后在高溫箱式電阻爐中分別于1 500℃、1 550℃、1 600℃的溫度下保溫2 h進行致密化燒結(升溫速率控制:從室溫升至1 000℃升溫速率為10℃/min,從1 000℃升至最高燒結溫度升溫速率為4~5 ℃/min),保溫時間結束后燒結樣品隨爐冷卻至室溫。

1.3 性能測試及表征

用游標卡尺測量陶瓷樣品燒結前和燒結后的尺寸,計算樣品的體積收縮率。使用靜水力學天平測量燒結后陶瓷樣品相關重量,進而計算出陶瓷樣品的吸水率、氣孔率和體積密度。使用萊州萊化硬度試驗機廠的HRS－150數(shù)顯洛氏硬度計測試陶瓷樣品的洛氏硬度,每個樣品選取4個不同的鉆點測試,然后計算其洛氏硬度平均值。使用珠海歐美克科技有限公司生產(chǎn)的Easysizer 20激光粒度分析儀對原料粉末以及球磨處理后的配方粉末的粒度大小以及分布進行表征。

1.4 抗堿腐蝕性能測試

從燒結后陶瓷樣品中選出綜合性能相對較好的5個樣品進行抗堿腐蝕性能實驗。具體操作如下:在陶瓷樣品圓餅上均勻鋪上一層氫氧化鋰粉末,然后將5個樣品放入馬弗爐中于850℃下保溫8 h。每煅燒一次后將陶瓷樣品圓餅上的粉末清理干凈,再重新補充氫氧化鋰粉末煅燒第2次,重復以上步驟直到陶瓷樣品表面出現(xiàn)斑點為止。

2 結果與分析

2.1 粒度分布分析

各種粉末樣品的粒度分布見表4。其中D10、D25、D50、D75、D90分別代表樣品在分布曲線中累積分布為10%、25%、50%、75%、90%時的等效直徑,而D50又稱為中位徑,是最重要的一個粒度核心指標。結果表明,原始單一粉末在球磨前普遍顆粒較大,而4個配方粉末由于經(jīng)過了球磨細化處理,其顆粒尺寸大大減小,中位粒徑D50達到6.01~6.08μm,因此有利于陶瓷的致密化燒結。

表4 各種粉末樣品的粒度分布 單位:μm

2.2 洛氏硬度分析

硬度是衡量陶瓷材料性能的重要指標,硬度越高,其抗斷裂和抗變形能力就越強[11]。不同溫度下燒結后各陶瓷樣品的洛氏硬度測試結果見表5至表7,各配方陶瓷樣品在不同溫度燒結后的洛氏硬度如圖1所示。由表4－表6可知,在1 500 ℃的燒結溫度下,4號樣品的硬度最低,為52.2 HRA;在1 600 ℃的燒結溫度下,2號樣品的硬度最高,為92.6 HRA。2 號樣品在1 500℃、1 550 ℃、1 600 ℃下燒結樣品的洛氏硬度分別為69.9 HRA、78.8 HRA、92.6 HRA,呈逐漸增加的趨勢。同時從圖1 可知,隨著溫度的升高,不同配方樣品的硬度都有不同程度的增大,說明在本實驗條件下燒結溫度越高,樣品的硬度也越高。這是因為燒結過程利于氣孔排出和燒結致密,燒結溫度越高,樣品的氣孔就越少,樣品的致密度就越高,其硬度也就越高[12]。綜合對比可知,2號陶瓷樣品在1 600 ℃燒結條件下制得的樣品硬度最高。

圖1 各配方陶瓷樣品在不同溫度燒結后的洛氏硬度

表5 1 500 ℃下燒結樣品洛氏硬度 單位:HRA

表6 1 550 ℃下燒結樣品洛氏硬度 單位:HRA

表7 1 600 ℃下燒結樣品洛氏硬度 單位:HRA

2.3 體積收縮率分析

體積收縮率是陶瓷材料在燒成過程中產(chǎn)生體積縮減的物理量,是評價陶瓷材料質(zhì)量的一種技術指標,而體積收縮率與陶瓷的致密性有著密切關系[13]。陶瓷樣品在1 500℃、1 550℃、1 600℃下燒結后的體積收縮率測試結果見表8。可知,在1 500 ℃的燒結溫度下,1號樣品的體積收縮率最低,為9.98%;在1 600℃的燒結溫度下,2號的體積收縮率最高,為20.07%。在同一配方下,隨著燒結溫度的升高,陶瓷樣品的體積收縮率是呈升高趨勢的。這是因為燒結溫度越高,氧化鋁陶瓷樣品的氣孔排出就越多,氣孔含量就越低,燒結出來的樣品致密度就越高,所以樣品的體積收縮率就越高。

表8 在不同溫度下燒結后陶瓷樣品的體積收縮率單位:%

2.4 體積密度、氣孔率與吸水率分析

體積密度、吸水率和氣孔率是決定陶瓷致密度的重要指標[14]。陶瓷樣品在不同溫度下燒結后的體積密度、氣孔率與吸水率測試結果見表9至表11所示?？芍?在1 550 ℃的燒結溫度下,2號樣品的體積密度最大,為4.30 g·c m－3,在1 500℃的燒結溫度下,1號樣品的體積密度最小,為3.75 g·c m－3;在1 500 ℃的燒結溫度下,3號樣品的吸水率最大,為2.78%,在1 600 ℃的燒結溫度下,2號樣品的吸水率最小,為0.09%;在1 600℃的燒結溫度下,3號樣品的氣孔率最大,為10.03%,在1 600℃的燒結溫度下,2 號樣品的氣孔率最小,為0.34%。綜合來說,在同一配方下,隨著溫度的升高,樣品的體積密度是呈先升高后降低的趨勢,而吸水率與氣孔率則是呈降低的趨勢。綜上可知,在1 600℃的燒結溫度下,2號樣品的綜合性能最佳。

表9 在1 500 ℃下燒結后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

表10 在1 550 ℃燒結后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

表11 在1600℃燒結后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

2.5 抗堿腐蝕性能分析

本次抗堿腐蝕性能實驗挑選了綜合性能比較優(yōu)異的具有代表性的5個陶瓷樣品:1號(1600℃)、2號(1550℃)、2號(1600℃)、3號(1600℃)以及4號(1600℃)。樣品腐蝕前后照片如圖2所示?？芍?1號樣品的被腐蝕程度最高,2號樣品的被腐蝕程度最低。2號樣品由于在所有樣品中氣孔率最低,致密度最高,綜合性能也是最優(yōu)的,可見陶瓷樣品的抗堿腐蝕性能與其致密度關系密切[15]。

圖2 陶瓷樣品抗腐蝕性能測試情況

通過對比5組陶瓷樣品洛氏硬度的下降情況可以用來判斷其抗堿腐蝕性能。由表12可知,1號樣品的洛氏硬度下降了16.3HRA,1550℃和1600℃下制得的2號樣品的洛氏硬度分別下降了30.3HRA和23.8HRA,3號樣品和4號樣品的洛氏硬度分別下降了35.1 HRA和29.3 HRA。由此可見,1號樣品的下降幅度最小,3號樣品下降幅度最大。但是在1600℃下燒結制得的2號陶瓷樣品在第2次腐蝕后仍然有68.8 HRA的洛氏硬度,可見2號樣品的抗堿腐蝕性能最佳。

表12 陶瓷樣品腐蝕前后的洛氏硬度單位:HRA

3 結論

(1)隨著燒結溫度的升高,不同配方樣品的硬度都隨之增大,說明在本實驗條件下燒結溫度越高,樣品的硬度也越高。如2號樣品在1500℃、1550℃、1600℃下燒結樣品的洛氏硬度分別為69.9 HRA、78.8 HRA、92.6 HRA,呈逐漸增大的趨勢。綜合對比可知,2號陶瓷樣品在1600℃燒結條件下制得的樣品硬度最高。

(2)在1600℃下燒結的2號陶瓷樣品的綜合性能最好,其洛氏硬度為92.6HRA,體積密度為3.92 g/cm3,吸 水 率 為0.09%,氣 孔 率 為0.34%。在1600℃下燒結的2號樣品的抗堿腐蝕性能最佳,該陶瓷樣品在經(jīng)過兩次抗堿腐蝕后其洛氏硬度為68.80 HRA。復相陶瓷樣品的抗堿腐蝕性能與它的致密度有關,致密度越高,抗堿腐蝕性能越好。