納米氧化鋁對氧化鋁陶瓷性能的影響

肖長江 朱玲艷 張恒濤 栗正新

摘 要：本文以1μm氧化鋁粉為基體材料，分別加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的納米氧化鋁粉；采用常規方法燒結得到一系列的氧化鋁陶瓷；然后對氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量等方面的性能進行了測試。結果表明：隨著30nm氧化鋁的加入，氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量都有不同程度的增加。

關鍵詞：氧化鋁陶瓷；硬度；抗彎強度；彈性模量

1 前言

氧化鋁陶瓷，又稱剛玉瓷，是一種以a-Al2O3為主晶相的結構陶瓷材料，由于其本身具有高熔點、高硬度、耐熱、耐腐蝕、電絕緣性好等特性，因此，可以在較苛刻的條件下使用。氧化鋁陶瓷的價格低廉，是目前生產量最大，應用面最廣的陶瓷材料之一，主要應用于刀具、耐磨部件及生物陶瓷領域。此外，它還廣泛應用于宇航、能源、航空航天、化學化工電子等方面[1]。近年來，由于對材料性能的要求高，人們提出各種提高氧化鋁陶瓷性能的方法，其中主要有：熱壓燒結[2-4]、放電等離子燒結[5]、微波燒結[6]和加入添加劑[7]等。結果表明：采取一些新的措施后，使得氧化鋁陶瓷在抗彎強度和硬度等方面的性能大大地提高。

本文以1μm 氧化鋁粉為基體材料，分別加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的納米氧化鋁粉；采用常規方法燒結得到一系列的氧化鋁陶瓷；然后對氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量等方面的性能進行了測試。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗用的1μmAl2O3粉是由鄭州融華公司生產，產品的基本參數為：外觀為白色粉末、晶粒的平均粒徑為1～1.5μm、晶體結構為α相，純度≥99.8%，其他雜質為Na2O、SiO2和Fe2O3。30nm的Al2O3是由杭州萬景新材料有限公司生產，產品的基本參數為：外觀為白色粉末、晶體結構為α相，純度≥99.9%、晶粒的平均粒徑為30±5nm。

2.2 試驗過程

本實驗采用常規燒結方法來燒結氧化鋁陶瓷。其具體過程如下：首先，30nm的Al2O3粉成形前需用超聲波分散；然后，按照配方的要求準確稱取所需的量加入到1μm 的Al2O3粉中；其次，再將質量分數為5%的PVA（聚乙烯醇）作為粘結劑加入到Al2O3粉中；最后，研磨均勻，在250 MPa的壓力下壓成尺寸約為3mm×4mm×36mm的坯體。樣品在常規燒結中，其燒成制度為：升溫速率為3℃/min，燒結溫度為1600℃，保溫時間為2h；達到保溫時間后隨爐冷卻，樣品經過粗磨、細磨、拋光；然后采用萬能材料試驗機測試其三點抗彎強度，要求試件跨距為30mm、加載速度為0.5mm/min。試樣硬度由洛氏硬度計測得。

3 結果分析與討論

加入不同含量的30nm Al2O3粉的氧化鋁陶瓷的力學性能如圖1、2、3所示。

由圖1可知，隨著納米氧化鋁粉含量的增加，樣品的洛氏硬度（HRA）一直增加。當含量從0%增加到1%時，其洛氏硬度從82.2迅速增加到84.6。當添加量在5%～20%之間時，增加速度較慢，其最大值為86.4。由圖2可知，斷裂強度的變化曲線與硬度變化不同，隨著納米氧化鋁粉的加入，斷裂強度值的整體變化趨勢為先降低，后增加。當添加量為0 %時，其斷裂強度值為199.5MPa；隨著納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時，其斷裂強度降低到190.1MPa；當納米氧化鋁粉的加入量為20%時，斷裂強度值增加到209.1 MPa。由圖3可知，當納米氧化鋁粉的加入量為0%時，其彈性模量為4337.7 MPa；當納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時，彈性模量增加到11298.2 MPa；當納米氧化鋁粉的加入量為10%時，彈性模量達到最大，其值為64785.1 MPa。

從上面的分析可知，總體趨勢是隨著30nm的Al2O3的加入，氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量都增加，但其影響的趨勢和程度不同。一般認為，加入納米材料后樣品力學性能的提高，其主要是因為納米材料占據基體空隙位置和細化晶界所導致的。

4 結論

在1μm 的Al2O3粉中添加不同含量的30nm的氧化鋁粉后，其氧化鋁陶瓷的性能發生了改變。

（1） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，樣品的洛氏硬度（HRA）一直增加。當添加含量為20%時，洛氏硬度達到最大，其值為86.4。

（2） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，斷裂強度值的整體變化趨勢為先降低，后增加。

（3） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，彈性模量呈增加趨勢，當添加量為10%時，其值達到最大，為64785.1 MPa。

（4） 加入納米材料后樣品力學性能在不同程度上得到了提高，其主要是因為納米材料占據了基體空隙位置和細化晶界所導致的。

參考文獻

[1] NAKAJIMA A， MESSING G L. Liquid-phase sintering of alumina coated with magnesium luminosilicate glass [J]. J Am Ceram Soc， 1998， 81（5）： 1163–1172.

[2] 李江，潘裕柏，劉玨.熱壓燒結細晶粒氧化鋁陶瓷 [J].硅酸鹽學報， 2009.37（2）：270.

[3] 李莉，張麗，郭方全等.熱等靜壓燒結氧化鋁陶瓷研究[J].硅酸鹽通報， 2012，31（5）：1228.

[4] 王峰，李慧琪，李敏. 氧化鋁陶瓷制備技術研究 [J]，材料導報，2008，22：332.

[5] 高鐮，洪金生.放電等離子超快速燒結氧化鋁力學性能和顯微結構研究[J].無機材料學報，1998， 13（6） ： 904.

[6] 熊禮威，張瑩，汪建華等.微波燒結氧化鋁陶瓷的納米增韌研究[J].武漢工程大學學報，2013，35（1）：46.

[7] 胡繼林，劉鑫，丁常澤等.添加劑對低溫燒結95氧化鋁陶瓷性能的影響[J].中國陶瓷，2012，48（2）：11.