SiC顆粒彌散快速熱壓燒結Al2O3、ZrO2材料的研究

周耀，莫青誼，江夏

研究與探討

SiC顆粒彌散快速熱壓燒結Al2O3、ZrO2材料的研究

周耀，莫青誼，江夏

（佛山市陶瓷研究所有限公司，佛山 528031）

本文在Al2O3、ZrO2原料中摻加入10wt%的高純SiC粉，進行快速熱壓燒結，得到完整的致密無孔的制品。其各自的力學性能與相應無壓燒結的制品相比有一定程度的提高。通過SEM分析內部微觀結構發現，SiC是以顆粒彌散方式分布于制品內部，SiC的加入改善了材料的熱性能，如：熱膨脹系數、熱導率等，使制品能快速燒結而不開裂。

Al2O3；ZrO2；SiC；顆粒彌散；熱壓燒結

1 前言

Al2O3、ZrO2是目前得到廣泛應用的工程結構陶瓷材料，這兩種陶瓷材料具有良好的機械力學性能，如：高硬度、高抗折強度，以及耐高溫、耐腐蝕等，可作為耐磨軸、套、閥、密封件等多種用途。由于Al2O3、ZrO2屬離子鍵化合物，在正常空氣條件下高溫較易燒結，所以，制備生產這兩種陶瓷產品的燒結過程大部分是在空氣氣氛中經無壓燒結而成。只是在制備透明Al2O3產品時較多使用氫氣氣氛。對于這兩種材料，正常的空氣氣氛無壓燒結就可以得到接近理論密度的產品。如：99 Al2O3的密度可達到3.9 g/cm3左右，3Y-ZrO2制品密度可達到6.0 g/cm3左右。

在有些高端用途，如：工業刀具、耐磨軸等，為進一步提高材料的密度、硬度等指標，完全消除制品的內部封閉氣孔等缺陷，提高使用壽命，可采用熱壓方式對Al2O3、ZrO2材料進行燒結。考慮到這兩種材質的熱膨脹系數較高（8～10×10-6/℃），而熱導率不高（20～40 W/m·K），與熱壓爐內的石墨材質配件和石墨模具有較大差異。因此，在熱壓燒結時，需調整好工藝參數，延長升降溫時間，延長燒成周期。這樣一方面降低了效率；另一方面因熱壓本身的特點易造成材料內部的應力不均，影響制品的質量。本文嘗試在原料中加入具有高熱導率、高硬度的SiC組分來進行改性，期望能提高產品的性能和加快熱壓燒結過程。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料Al2O3、ZrO2均為國產，SiC為德國進口。其純度、粒度如表1所示。

表1 原料參數

2.2 實驗工藝

按90wt%Al2O3+10wt%SiC和90%ZrO2+10%SiC的配方比例配制原料，加入80%無水乙醇，放入尼龍球磨罐中，球磨介質使用99.9%純度的Φ10mm和Φ5mm Al2O3球，滾動球磨48 h后出漿干燥，預壓裝入石墨模具中，進行熱壓燒結。最高燒成溫度分別為1650℃和1500℃，保溫1 h，最高壓力為20 MPa。圖1為熱壓燒結溫度曲線。整個熱壓燒結周期為5h，制備得到的樣品完整無裂。

圖1 熱壓燒結Al2O3、ZrO2溫度曲線

為了與熱壓燒結作對比，對Al2O3、ZrO2材料作無壓空氣氣氛燒結試驗。Al2O3噴霧粉和ZrO2噴霧粉均經過干壓等靜壓，等靜壓壓力為150 MPa。最高燒成溫度分別為1700℃和1500℃，保溫為2 h。整個燒成周期為28 h。圖2為無壓燒成曲線。

圖2 無壓燒結Al2O3、ZrO2溫度曲線

2.3 試樣性能測試方法

無壓燒結和熱壓燒結完成后，將樣品加工成3 mm×4 mm×40 mm的拋光試條，每一種類分別用5件樣品作抗折強度測試、5件作硬度測試、5件用切口梁法作斷裂韌性測試，取各自的平均值作為表征數據。同時，用排水法測試密度，用掃描電子顯微鏡（SEM）測試斷口表面形貌。

3 結果分析與討論

表2 無壓與熱壓燒結Al2O3、ZrO2材料力學性能

3.1 樣品的力學性能分析

表2為試驗的各種材質在無壓燒結和熱壓燒結下的力學性能參數，包括吸水率、密度、硬度、抗折強度和斷裂韌性。

實驗表明：對于無壓燒結Al2O3，純度提高，其各性能參數均有較明顯的提高。摻入SiC組分后，由于SiC的密度明顯比Al2O3的低，總體密度有明顯下降。但其力學性能，如：硬度、強度、韌性值等均比兩種無壓Al2O3的性能數據高。同樣，在ZrO2中摻入SiC組分后進行熱壓燒結，密度明顯下降，其力學性能則有較明顯提高。力學性能數據的提高主要得益于熱壓燒結工藝以及SiC的摻入。通過熱壓燒結，可以加快材料的致密化速率和致密化程度，即一方面可以縮短燒結時間；另一方面又可以進一步消除內部空隙，達到更完全的致密化。

SiC為強共價鍵化合物，無壓低溫下難以燒結，也難與其它化合物發生固相反應。在熱壓條件下，通過外加壓力在Al2O3、ZrO2粒子發生高溫蠕變時，將SiC粒子包裹，使SiC粒子以顆粒彌散狀態存在于Al2O3、ZrO2制品內部，達到致密化。這樣，一方面使材料致密；另一方面又充分發揮SiC熱膨脹系數低、熱導率高的特點，在短時間內完成升溫降溫的燒結過程，制品完整無裂。

3.2 樣品的微觀結構分析

圖3～圖7為1#～5#材料的SEM斷口表面形貌。

從圖3～圖5中可以看出，無壓燒結的Al2O3、ZrO2微觀結構均勻致密，僅僅存在少量微小的內部封閉氣孔。與熱壓燒結相比，無壓燒結Al2O3和ZrO2的晶粒有明顯增大。 從圖6～圖7中可明顯看到，較大的SiC粒子以顆粒彌散的方式分布于材料內部，內部微觀結構非常致密。一方面提高了材料的力學性能；另一方面發揮出了SiC優良的熱學性能，利于快速燒結出完整的制品。

圖3 99Al2O3無壓燒結SEM圖

圖4 99.8Al2O3無壓燒結SEM圖

圖5 ZrO2無壓燒結SEM圖

圖6 熱壓燒結Al2O3+SiC SEM圖

圖7 熱壓燒結ZrO2+SiC SEM圖

4 結論

（1）摻加SiC的Al2O3、ZrO2材料可以快速熱壓燒結得到完整無裂的制品，其力學性能比無壓燒結的材料有一定程度的提高。

（2）熱壓燒結可以使含SiC的Al2O3、ZrO2材料燒結致密化，SiC以顆粒彌散的方式存在于制品內部，發揮出SiC的優異熱學性能，短時間內可燒結出完整的制品。