復合穩定劑對鈦酸鋁陶瓷性能的影響

桑月俠，劉維良，鄭乃章，曾小軍

(景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333001)

復合穩定劑對鈦酸鋁陶瓷性能的影響

桑月俠，劉維良，鄭乃章，曾小軍

(景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333001)

以氧化鋁(α-A12O3)粉和氧化鈦(TiO2)粉為主要原料，以ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3為穩定劑，摩爾比為1∶1∶1∶2∶2，采用固相反應法制備出鈦酸鋁陶瓷。研究了復合穩定劑對鈦酸鋁陶瓷抗彎強度、熱穩定性和顯微結構的影響。采用熱膨脹系數測定儀、萬能試驗機、X射線衍射儀、掃描電鏡等對樣品性能進行了表征。實驗結果表明，當復合穩定劑含量為25wt．%，燒成溫度為1550℃，保溫時間為3h時制備的鈦酸鋁陶瓷性能最佳。其熱膨脹系數為0．86×10-6/℃，比無穩定劑的鈦酸鋁陶瓷降低了35．8%；抗彎強度為48．3MPa，比無穩定劑的鈦酸鋁陶瓷提高了36．9%。

鈦酸鋁；復合穩定劑；低熱膨脹

0　引　言

現代工業的快速發展，對優良耐高溫和抗熱震性的材料迫切需求。鈦酸鋁(Al2TiO5)陶瓷具有溶點高、熱膨脹系數低[1]、抗熱沖擊性能良好[2]、耐堿、抗渣、對玻璃和多種金屬不潤濕性[3]等特點，是當前低熱膨脹材料中耐高溫性能優異的材料之一。鈦酸鋁廣泛應用于陶瓷、玻璃、有色金屬、鋼鐵、汽車、化工及軍工業等領域[4]，如內襯、排氣管、催化劑載體、隔熱材料和冶金用陶瓷等。但是鈦酸鋁晶體在900-1280 ℃范圍內會分解成剛玉和金紅石，從而失去其低膨脹特性，這使其應用范圍受到極大的限制。文獻[5]表明，通過添加一些穩定劑(如MgO、Y2O3、ZrO2)等)可以擬制Al2TiO5的分解，從而起到穩定晶型的作用。因此，本文通過添加復合穩定劑(ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3的摩爾比為1∶1∶1∶2∶2)來擬制Al2TiO5的分解，獲得熱穩定性良好的低膨脹鈦酸鋁陶瓷材料。

1　實　驗

1.1原料

α-Al2O3粉，工業純，河南鑫源公司；TiO2粉、ZrO2粉、MgO粉、ZnO粉、Y2O3粉、La2O3粉和聚乙烯醇(PVA)均為化學純，均購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2樣品制備

首先，按α-Al2O3粉和TiO2粉摩爾比1∶1稱料后濕法球磨24 h，漿料烘干后研磨過篩，所得粉體在高溫燒結爐中于1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃下保溫3 h，預合成Al2TiO5粉體。然后，以ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3的摩爾比為1∶1∶1∶2∶2配制復合穩定劑，按復合穩定劑含量0wt．%、15wt．%、20wt．%、25wt．%、30wt．%、35wt．%摻入Al2TiO5粉中進行配料，濕法球磨混合粉體24 h，漿料烘干后研磨過篩，干壓成型后在1550 ℃下保溫3 h，制得Al2TiO5塊體陶瓷樣品。

1.3性能測試

采用西安力創儀器有限公司WDW-10型萬能試驗機測樣品抗彎強度，湘潭市市儀器儀表有限公司ZRPY-1000型熱膨脹系數測定儀，德國Bruker公司D8-Advance型X射線衍射儀(XRD)對樣品進行物相分析，中國科學院科學儀器廠KYKY-1000B型掃描電鏡(SEM)觀察樣品的顯微結構。

2　結果分析與討論

2.1合成粉的XRD物相分析

圖1為不同溫度下合成Al2TiO5粉的XRD圖譜。從圖1可知，1350 ℃下得到的粉體，主要是Al2O3和TiO2的衍射峰，只有少量極微弱的Al2TiO5衍射峰存在。這表明1350℃下幾乎無Al2TiO5粉生成。當溫度達到1400 ℃時，Al2O3和TiO2的衍射峰減弱，甚至消失，而Al2TiO5的衍射峰增強。這表明在1400 ℃下可形成大量的Al2TiO5晶相。當溫度升高至1450 ℃時，基本上全是Al2TiO5的衍射峰，而Al2O3和TiO2的衍射峰消失。這表明在1450 ℃可合成結晶完整，主晶相全部為Al2TiO5粉體。

圖1　不同溫度下合成Al2TiO5粉的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of Al2TiO5powder sintered at different temperatures

2.2復合穩定劑含量對燒結后塊體樣品熱膨脹系數的影響

圖2為復合穩定劑含量與燒結后樣品熱膨脹系數的關系曲線。從圖2可知，隨著復合穩定劑含量的增加，Al2TiO5陶瓷的熱膨脹系數先減小后增大。當復合穩定劑含量為25wt．%時，熱膨脹系數最小，為0．86×10-6/℃,比無穩定劑的Al2TiO5陶瓷熱膨脹系數降低了35．8%。這是由于復合穩定劑能生成與Al2TiO5晶體結構相同的化合物與之發生類質同象的取代固溶，形成連續固溶體。此外，稀土元素大離子進入Al2TiO5晶格的內部后，Al2TiO5晶格內部受到擠壓，使Al3+和Ti4+占據的八面體空隙減小，運動受限制，相應的束縛力增強。這些都能使Al2TiO5陶瓷的熱膨脹系數顯著降低。但當穩定劑過量時，過量的復合穩定劑燒結后存在Al2TiO5陶瓷中，使材料的熱膨脹系數增大。

2.3復合穩定劑含量對樣品抗彎強度的影響

圖3為復合穩定劑含量與燒結后抗彎強度的關系曲線。從圖3可知，隨著復合穩定劑含量的增加，Al2TiO5陶瓷的抗彎強度先增大后減小。當復合穩定劑含量為25wt．%時，抗彎強度最大，為48．3 MPa，比無穩定劑的Al2TiO5陶瓷抗彎強度提高了36．9%。這是由于添加穩定劑后，復合穩定劑原子會固溶于Al2TiO5晶格中，產生應力場，阻止晶格變形，提高材料的抗彎強度。此外，復合穩定劑中的MgO與原料中的部分Al2O3反應形成尖晶石，匯集于Al2TiO5晶界上，阻礙Al2TiO5晶粒的長大，弱化晶疇結構，降低晶體開裂，促進陶體的燒結，有利于瓷體強化。但當復合穩定劑含量過多時，會促使Al2TiO5陶瓷燒成溫度降低，在1550 ℃下燒成會出現過燒現象，使其氣孔增多，從而使其抗彎強度降低。

圖2　復合穩定劑含量與燒結后樣品熱膨脹系數的關系曲線Fig.2　The relationship curve of composite stabilizer content and thermal expansion coefficient of samples

2.4塊體陶瓷樣品的XRD物相分析

圖4為經1550 ℃燒結后塊體陶瓷樣品的XRD圖譜。從圖4可知，塊體陶瓷樣品中的主晶相為Al2TiO5。此外，還存在少量的MgAl2O4晶相。這是由于復合穩定劑中的少量MgO2和原料中的部分A12O3反應生成的鎂鋁尖晶石。這在一定程度上可以提高Al2TiO5陶瓷的抗彎強度和降低Al2TiO5陶瓷的熱膨脹系數。

2.5塊體陶瓷樣品的顯微結構分析

圖5為經1550 ℃燒結后塊體陶瓷樣品的斷口SEM照片。從圖5可知，塊體陶瓷樣品的斷口處存在晶內氣孔。晶內氣孔可以鈍化主裂紋，緩和主裂紋尖端應力集中或者主裂紋分叉，從而提高材料的熱穩定性。從圖5還可知，當材料斷裂時較突出晶粒旁邊的晶粒有一定的拔出，形成韌窩，這可以提高材料的強度和韌性。

圖3　復合穩定劑含量與燒結后樣品抗彎強度的關系曲線Fig.3　The relationship curve of composite stabilizer content and flexural strength of samples

圖4　塊體陶瓷樣品的XRD圖譜Fig.4　XRD pattern of bulk samples

圖5　塊體陶瓷樣品的斷口SEM照片Fig.5　SEM image of the fractured surface of bulk samples

3　結　論

(1)采用固相反應法可在1450 ℃可合成結晶完整，主晶相全部為Al2TiO5粉體。

(2)當復合穩定劑含量為25wt．%，燒成溫度為1550 ℃，保溫時間為3h時制備的鈦酸鋁陶瓷性能最佳，其熱膨脹系數為0．86×10-6/℃，抗彎強度為48．3 MPa。

[1] 李文魁, 胡曉凱, 彭芒, 等． 鈦酸鋁陶瓷[J]． 電瓷避雷器, 2000, 5: 15-16．

[2] 劉錫俊, 王杰曾, 冷少林, 等． 莫來石-鈦酸鋁復相材料的研究[J]． 中國建材科技, 1998, 5: 18-22．

[3] 薛明俊, 孫承緒． 鈦酸鋁陶瓷研究新進展[J]． 硅酸鹽通報, 1999, 4: 53-59．

[4]趙浩． 鈦酸鋁陶瓷及其應用[J]． 山東陶瓷, 2000, 2: 18-21．

[5] KATO E, DAIMON K, TAKAHASHI J． Decomposition temperature of Al2TiO5[J]． Journal of the American Ceramic Society, 1980, 63: 355-356．

The Influences of Composite Stabilizer on the Properties of Aluminum Titanate Ceramics

SANG Yuexia, LIU Weiliang, ZHENG Naizhang, ZENG Xiaojun
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

Low thermal expansion aluminum titanate ceramics were prepared by solid state reaction method. The method employed Al2O3and TiO2powders as raw materials, ZrO2, ZnO, MgO, Y2O3and La2O3as stabilizers. The mol ratio of ZrO2/ZnO/MgO/Y2O3/La2O3was 1:1:1:2:2. The influences of composite stabilizer on flexural strength, thermal stability and microstructure of Al2TiO5ceramic were studied. Samples were characterized by means of thermal expansion coefficient measuring instrument, tensile testing machine, X-ray diffraction and scanning electron microscope. The experimental results indicated that the properties of Al2TiO5ceramic was best when the stabilizer content was 25wt%, the firing temperature was 1450°C and the holding time was 3h. Al2TiO5ceramic was 0.86×10-6/°C in thermal expansion coefficient, and decreased by 35.8%. Al2TiO5ceramic was 48.3MPa in flexural strength, and increased by 36.9%.

Al2TiO5, composite stabilizer, low thermal expansion

date:2014-11-20 .Revised date: 2014-11-25.

TQ174.75

A

1006-2874(2015)02-0014-03

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.02.004

2014-11-20。

2014-11-25。

通信聯系人：劉維良，男，博士，教授。

Correspondent author:LIU Weiliang, male, Ph. D., Professor.

E-mail:jdzweiliang@163.com