細晶結構氧化鋁陶瓷材料研究

朱軍 浦雪琴 薛志崗 鄭興益

摘 要 采用不同的添加劑以等靜壓成型高溫燒結制作試樣，對高純氧化鋁陶瓷進行晶粒細化結構研究。對試驗樣品進行了物理性能測試和SEM觀察，對晶體的長大控制以及添加劑作用機理進行分析探討。結果顯示：適合的添加劑及用量、合適的工藝可以獲得小于5μm的細晶結構氧化鋁陶瓷。

關鍵詞 添加劑；細晶結構；氧化鋁陶瓷

0 前 言

研究表明，氧化鋁陶瓷晶粒細化可以提高性能，使晶界物質的內應力降低，不易造成穿晶斷裂，提高材料的密度、機械性能及化學性能，顯著降低燒成溫度達到節能目的，不斷地晶粒細化是對氧化鋁陶瓷是比較難的。首先，納米級微細的α-Al2O3價格高而且容易團聚不易分散；其次，細料有較高的表面活性，在燒結過程中易產生化學反應造成晶粒異常長大。有報道顯示，加壓快燒也是是獲得細晶陶瓷的一種方法，實現晶粒尺寸達到1～2μm。但是只適用于形狀簡單陶瓷結構件。因此選用適當的添加劑以細化晶粒結構并降低燒成溫度受到了廣泛的關注。MgO、Y2O3等幾種添加劑有較好的細化晶粒效果。一般來說有以下兩種作用，其一，與Al2O3在晶界形成第二相以抑制晶料生長使結構晶體得以細化，或提高Al3+離子的缺陷濃度，加速Al3+離子的晶格擴散提高結構密度；其二，彌散顆粒、電疇運動來韌化氧化鋁陶瓷等。本研究主要選用不同添加劑制備性能較好的細晶結構氧化鋁陶瓷。

1 試 驗

1.1 試驗原料

α-Al2O3，粒度1～3μm，純度99.90%，馬丁鋁業公司。MgO為工業純，La2O3、Y2O3為化學純。分散劑為A115，粘結劑為PVA19-88。

1.2 試驗過程

以99%Al2O3為基礎，以正交配方進行添加劑優化組合，添加劑采用外加式引入，加水球磨成漿料，噴霧造粒，100MPa等靜壓成型，采用電推板窯1 570C°高溫燒結，精磨加工成10×5×110mm試樣進行性能測試。

2 物理性能測試結果

2.1六個配方試樣的硬度及抗折強度測試

抗折強度測試儀：502型；測試方法：三點垂直壓折法。

2.2 SEM測試分析

SEM：F-20000掃描儀；試樣斷面掃描結果見圖1-6。

3 結果分析與討論

3.1結果分析

由表1和SEM圖可以看出，添加劑加入量不大于1%的情況下，1#樣品硬度HRA為81，由SEM照片可以看出某些晶粒邊緣有細長微晶1～5μm出現，大小差別明顯，且有明顯空隙；2#添加劑樣品采用全稀土元素進行了實驗，硬度密度略有提升，SEM照片顯示稀土對細化晶粒作用明顯，晶粒2～3μm，但是內部顆粒容易有團聚，產生小的分裂；3#樣品密度強度明顯增加，SEM顯示其結構晶體中存在明顯的第二相，并且第二相多為球形；添加劑加入量不大于0.7%的情況下，4#樣品密度、硬度和強度中等，其SEM顯示其中有包晶形成且晶粒不正常長大現象，部分晶粒較為粗大，大于10μm，顆粒大小也不均勻。5#樣品硬度和強度比2#樣有所增加，SEM圖可以看出晶粒成長較為均勻，粒徑3～7μm。6#試樣的密度、硬度和強度達到相對最高水平，由其SEM圖可以看出其晶粒細小且分布均勻，粒徑1～3μm。系列實驗顯示，添加劑對降低燒結溫度似有作用。由于該系列引入了少量MgO和稀土元素，使得晶粒較為細小，4#呈圓形小顆粒的第二晶相主要是MgAl2O4，而其他元素也有可能形成固溶形式進入主晶相。

通過添加劑優化法組合系列實驗，取得較為明顯效果，最小平均晶粒1～μm左右，抗彎強度等機械性能也達到氧化鋁陶瓷材料較為理想的技術性能。

3.2 添加劑作用機理分析討論

上述分析表明，引入不同類型的添加劑或添加劑的組合方式不同，作用效果差異較大。一般來說添加劑可以分為兩類，一類是與Al2O3能夠生成固溶體的，如Y2O3的添加，不僅加快燒結時氣孔的逸出，還能與Al2O3生成固溶體，限制Al2O3晶粒快速長大，并增加韌性。第二類是能夠生成液相的，如MgO能和Al2O3等其它添加劑生成二元、三元低共融物，只要局部范圍內滿足MgO和Al2O3比例適配，新晶相MgAl2O4便易于從熔體中析出生成第二相，起到釘扎作用限制晶粒長大。但過量的MgO引入不會促進致密過程，細化晶粒效果并不明顯。

3.3晶粒細化與結構均勻致密

從提高性能角度出發，燒結過程應使致密化和細晶化同時實現。致密化是指坯體燒結過程排除氣孔，結構緊密，細晶化則指控制晶粒長大，這是兩個不同的概念。但是氣孔與晶界之間的作用形式往往使晶粒不正常長大因素之一，它們之間的依存方式對結構產生很大影響。

抗彎強度σf與晶體平均粒徑d，材料內部氣孔率p 有以下關系式：

σf= （σ0+k·d-1/2）exp-np

式中σ0、k、n均為常數。由此可以看出強度隨氣孔率增加呈指數規律降低，同時只有在材料內部氣孔分布均勻，氣孔尺寸較小時，晶粒尺寸起決定作用。也說明晶粒尺寸過大或氣孔率較高，材料結構強度急劇降低。但晶粒細化和致密有時是相互矛盾的，既要細化晶體又要提高密度是有不少困難，還要控制燒成時的溫度和壓力。

4 結 論

（1）添加劑選擇不當時，氧化鋁陶瓷晶粒會隨燒成溫度增高，變得粗大；

（2）細晶結構與顆粒均勻致密同時滿足條件，才能有效提高氧化鋁陶瓷材料結構強度；

（3）在引入條件適當時，Y2O3對氧化鋁陶瓷不僅有細化晶粒結構作用，也具有增韌作用；有效降低燒成溫度。

（4）采用Y2O3-MgO（<0.7%）的添加劑制備氧化鋁陶瓷粉料，等靜壓成型、高溫1 570C°左右燒結，可以獲得晶粒小于1～3μm的物理性能優良的微細結構氧化鋁陶瓷。

參 考 文 獻

[1]嚴東生.陶瓷的顯微結構與性能[J].硅酸鹽學報.1981（3）：71

[2]姚麗，等.高性能細晶粒剛玉瓷的研制[J].中國陶瓷.1999（4）： 15-17

[3]關振鐸，等.無機材料物理性能[M].清華大學出版社.2003