燒結細晶氧化鋁陶瓷的新方法

摘要 致密的氧化鋁陶瓷可用三種方法燒結得到。從SEM照片可看出：樣品比較致密，樣品的相對密度大于93%，用兩步法和兩段法燒結得到的氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸小于400nm， 用常規方法燒結得到的氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸約為650nm。而且，用兩步法和兩段法燒結時燒結溫度低于常規燒結。實驗結果表明：兩步法和兩段法燒結能得到細晶的氧化鋁陶瓷。

關鍵詞 細晶氧化鋁陶瓷，兩段法燒結，兩步法燒結，顯微結構

1引 言

氧化鋁陶瓷具有優良的力學性能、電性能、化學穩定性，而且原料來源廣泛，制造成本低，是用來制造多種高強度、耐磨損、耐高溫等高性能陶瓷部件的基礎材料，尤其在結構陶瓷、電子陶瓷、生物陶瓷等領域占有重要的地位，被廣泛用于機械電子、醫藥、食品、石油、化工、航空、航天等領域。但是氧化鋁陶瓷同樣具有陶瓷的高脆性、較差的抗熱震性和低斷裂韌度等缺點，限制了它在許多領域的應用[1～2]。多年來，各國學者一直在尋找提高陶瓷韌性的方法，提出了多種增韌補強機理，如顆粒彌散增韌、相變增韌、微裂紋增韌、協同增韌等[3～4]。其中發現控制晶粒長大、降低燒結溫度、提高致密化程度等方法是改善氧化鋁陶瓷材料的力學性能和使用性能的重要途徑。在高壓下，可以用壓力來抑制晶粒的長大以得到細晶甚至納米陶瓷[5]，但是在無壓的條件下，如何控制晶粒的長大是個重要的課題。本文以30nmAl₂O3納米粉體為原料，用常規燒結和新穎的兩種燒結方法：兩步法和兩段法來燒結致密的Al₂O3陶瓷，并對得到的樣品微觀結構和密度進行了對比。

2實驗部分

2.1 原材料

實驗所用的30nm的α相氧化鋁，由杭州萬景新材料有限公司生產，其技術指標見表1。

2.2 燒結工藝

為了得到致密的氧化鋁陶瓷，將30nm的氧化鋁粉先在室溫下加粘結劑5%的PVA溶液，然后在20MPa的壓力下壓成直徑為10mm、厚度為1mm的坯體。燒結過程中采用以下三種方法：第一種方法是用兩段法燒結，將壓好的坯體在馬弗爐中以較低的溫度下保溫一段時間后再在較高的溫度下保溫較長的時間，然后自然冷卻；第二種方法是用兩步法燒結，具體的燒結過程是將壓好的坯體先升溫到較高的溫度下不保溫，然后以較快的冷卻速率降低到較低的溫度長時間保溫，再自然冷卻；第三種方法采用常規燒結，就是坯體以相同的升溫速率升到設定的溫度然后保溫設定的時間，再自然冷卻。具體的燒結溫度和保溫時間如表2所示，對應的燒結工藝如圖1、2和3所示。圖1為兩段法燒結，具體的工藝為1000℃下保溫1h，然后升溫到1300℃再保溫6h；圖2為兩步法燒結，具體的工藝為快速升溫到1300℃且不保溫，然后降溫到1100℃下保溫10h；圖3為常規燒結，具體的工藝為升溫到1350℃，然后保溫6h。

樣品的顯微結構用XL30-FEG場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀測，晶粒大小根據SEM照片用線截距法測定。相對密度用Archimedes方法測定。

3結果與討論

3.1 樣品的顯微結構

不同燒結條件下得到的樣品顯微結構可以用斷面的掃描電鏡照片SEM觀測。從SEM照片中可以看出：兩段法和兩步法燒結得到的樣品晶粒大小比用常規法燒結得到的樣品均勻，且晶粒尺寸明顯小于常規燒結的樣品晶粒大小。具體的平均晶粒尺寸可以從SEM照片中用線截距法來計算。圖4為兩段法燒結，具體工藝為1000℃(1h)-1350℃(6h)的顯微照片。圖5為兩步法燒結，具體工藝為1300℃(0h)-1100℃(10h)的顯微照片。圖6為常規燒結的顯微照片，計算得到的晶粒平均尺寸如表2所示。

3.2 樣品的密度

從樣品的SEM照片中，我們可以看出：不同方法燒結得到的樣品都較致密，計算得到的樣品相對密度（理論值為4g/cm³）都大于90%。具體的密度值如表2所示。從顯微結構和密度的結果中可以發現，用兩段法和兩步法燒結能得到致密的細晶陶瓷。

3.3 討 論

一般的無壓燒結是采用等速燒結進行的，即控制一定的升溫速度，到達預定溫度后保溫一定時間以獲得燒結體。在無壓燒結中，由于溫度是唯一可以控制的因素，因此如何選擇最佳的燒結溫度，從而在控制晶粒長大的前提下實現坯體的致密化，是納米陶瓷制備中最需要研究的問題。從燒結理論上看，兩步燒結法是通過巧妙地控制溫度的變化，在抑制晶界遷移（這將導致晶粒長大）的同時，保持晶界擴散（這是坯體致密化的動力）處于活躍狀態，來實現在晶粒不長大的前提下完成燒結的目的[6]；而兩段法燒結涉及到的燒結機理現在還不是很清楚[7]。

4結 論

致密的氧化鋁陶瓷可用三種方法燒結得到。氧化鋁陶瓷比較致密，它們的相對密度均大于93%，用兩步法和兩段法燒結得到的氧化鋁陶瓷晶粒比較均勻，且晶粒尺寸小于400nm， 用常規方法燒結得到的氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸約為650nm。而且，用兩步法和兩段法燒結的燒結溫度均低于常規燒結。

參考文獻

1 Sathiyakumar M.，Gnanam F.D.．Role of Wollastonite Additive on Density，Microstructure and Mechanical Properties of Alumina[J]．Ceram.Int.，2003，29:869～873

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3 張國軍，金宗哲．顆粒增韌陶瓷的增韌機理[J]．硅酸鹽學報，1994，22(3)：259～265

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5 Xiao C.J.，Chi Z.H.，Jin C.Q.，et al.The Phase Transitions and Ferroelectric Behavior of Dense Nanocrystalline BaTiO3 Ceramics Fabricated by Pressure Assisted Sintering[J].J.Phys.Chem.Solids， 2007，68:311～314

6 Chen I.W.，Wang X.H.Sintering Dense Nano Crystalline Ceramics without Final-stage Grain Growth[J].Nature， 2000，404:168～171

7 Wongmaneerung R.，Khamman O.，Yimnirun R.，et al.The Fabrication of Lead Titanate Ceramics by A Two-stage Sintering Technique[J].J Electroceram，2008 (in press)

Fine-grained Al₂O3 Ceramics Prepared by Novel Sintering Methods

Xiao Changjiang

(Department of Materials Science and Engineering，Henan University of Technology Zhengzhou Henan 450007)

Abstract: Dense Al₂O3 ceramics were sintered by three methods. From the SEM micrographs，we can see that all the samples are dense and the relative densities are more than 93%.The grain sizes of the samples sintered by two-stage and two-step methods are less than 400nm;the average grain sizes of the samples sintered by the conventional method are about 650nm.Moreover，the sintering temperatures of two-stage and two-step methods are less than that of the conventional method. The experiment results indicated that the fine-grained Al₂O3 ceramics can be sintered by two-stage and two-step methods.

Keywords: fine-grained Al₂O3 ceramics，two-stage sintering，two-step sintering，microstructure