不同復相添加劑和燒結條件對90氧化鋁陶瓷性能的影響

肖 強肖 軍

（1.長沙市望城區食品藥品工商質量監督管理局，長沙 410200；2.長沙市西歐電子科技有限公司，長沙 410200）

1 引言

氧化鋁（Al2O3）陶瓷是一種以α－Al2O3為主晶相的陶瓷材料，也稱為剛玉瓷，其氧化鋁含量一般在75%～99%之間。習慣上以配料中氧化鋁的含量進行分類，氧化鋁含量在75%左右的為“75瓷”，含量在85%的為“85瓷”，含量在90%的為“90瓷”，含量在99%的為“99瓷”等［1］。Al2O3陶瓷具有室溫強度高、硬度大、耐化學腐蝕、化學穩定性好等優良特性，以及原材料來源廣泛、生產成本低等優勢，目前被廣泛應用于機械、化工、環保、電子、冶金和復合材料等領域［2～4］。

但是 Al2O3熔點較高（2050℃），導致 Al2O3陶瓷的燒結溫度普遍較高，在生產過程中不僅需要消耗大量的能源，而且對燒結設備的要求也較高。有關資料表明［5，6］，將氧化鋁陶瓷的燒結溫度由1600～1650℃降至 1450～1500℃，燒成能耗可降低 25～35%。從節約資源、降低能耗、減少成本的角度考慮，Al2O3陶瓷的低溫燒結技術研究目前成為了一項重要的研究課題［7，8］。

本研究采用工業化生產的氧化鋁粉末為主要原料，將氧化鋁粉末與燒結助劑（添加劑）按質量比9∶1 的比例稱量配料。分別選擇 MnO2－TiO2、MgOTiO2、TiO2－MnO2－MgO、MnO2－TiO2－La2O3和 TiO2－MgO－La2O3等體系復相添加劑作為90氧化鋁陶瓷的燒結助劑，對比研究不同體系復相添加劑以及不同的保溫時間對90氧化鋁陶瓷燒結性能和力學性能的影響。

2 實驗

2.1 實驗原料

氧化鋁（Al2O3）（純度≥99.0%，湖南長沙華科特種陶瓷材料有限公司）；氧化鈦（TiO2）（化學純，上海化學試劑站分裝廠）；氧化鎂（MgO）（分析純，湖南湘中精細化學品廠）；氧化鑭（La2O3）（分析純，天津市光復精細化工研究所）；二氧化錳（MnO2）（分析純，廣東臺山化工廠）；聚乙烯醇［HO（CH2CH2）］n（分析純，湖南衡陽凱信化工試劑有限公司）。

2.2 實驗儀器

FA2004分析電子天平（上海良平儀器儀表有限公司）；QM－1F行星式球磨機（湖南湘潭市儀器儀表公司）；101A－1型電熱鼓風干燥箱（上海實驗儀器有限公司）；DY-30臺式電動粉末壓片機（天津市科器高新技術公司）；SX2-8-16箱式電爐（湘潭市中山儀器廠）；DSJ-2電子靜水力學天平（上海良平儀器儀表有限公司）；HRS-150洛氏硬度計（山東萊州萊華硬度試驗機廠）；WDW-100電子式萬能材料試驗機（山東濟南恒瑞金試驗機有限公司）。

2.3 實驗過程

（1）根據表1的原料配方表，將氧化鋁與燒結助劑分別進行稱量配料。

（2）將稱好的粉料置于球磨罐中，以氧化鋁瓷球為研磨體，按料∶球石∶水＝1∶1.5∶1.2 的比例加入研磨體和水，在行星式球磨機中快速球磨4h后，取出料漿置于105℃的干燥箱中烘干備用。

（3）在干燥粉料中加入適量的濃度為 5wt%聚乙烯醇（PVA）溶液作為粘結劑，在研缽中充分混合均勻，混合后用40目篩造粒，在200MPa下模壓成型，放入電熱鼓風干燥箱（105℃）干燥12h。

（4）將干燥后的樣品放入箱式電阻爐中以2℃/min的升溫速率升至600℃保溫1h排除有機物質。然后以平均約3℃/min的升溫速率在 1350℃、1450℃、1550℃燒結并保溫2h，得到90氧化鋁陶瓷樣品。

（5）將以上不同溫度下燒結得到的陶瓷樣品進行性能測定，然后進行分析和比較，優化出綜合性能最好的一組配方，再在相同的溫度下燒結并分別保溫4h和8h，隨爐冷卻后即得到氧化鋁陶瓷。

2.4 性能測定及表征

將高溫燒結得到的90氧化鋁陶瓷樣品經過打磨、拋光后測定其體積密度和體積收縮率。然后把樣品切割成條狀，并采用材料力學性能試驗機測試其三點抗彎強度，跨距為20mm，加載速度為0.5mm/min。陶瓷試樣硬度由洛氏硬度計測得。氧化鋁配方粉料球磨前后的粒度大小及其分布由Easysizer20型激光粒度分析儀測定。

表1 原料配方表 /wt%

圖1 90氧化鋁陶瓷的配方5粉料在球磨前和球磨4 h后的粒度分布

3 結果與討論

3.1 配方粉體原料的粒度分析

選擇配方5粉料，對球磨前以及球磨4h后的試樣采用激光粒度分析儀測定粒度，其結果如圖1所示。從圖1中可以看出，配方試樣球磨前的粒度較大，中位徑（D50）為12.52μm。而氧化鋁配方粉料經過球磨4h后，中位徑（D50）大大減小，中位徑減小為D50＝2.70μm。由圖可知，粉體粒徑分布范圍較窄，基本呈正態分布，說明原料粉體經過4h的球磨細化后，其顆粒尺寸大大減小，這將有利于90氧化鋁陶瓷的燒結致密化。

3.2 氧化鋁陶瓷的燒結性能

3.2.1 配方5在不同燒結溫度保溫2h下得到的樣品體積密度和體積收縮率

表2為不同燒結溫度下配方5的體積密度和體積收縮率，其保溫時間都為2h。由表2可知，氧化鋁陶瓷在相同的配方和相同的保溫時間下，隨著溫度的升高，體積密度和體積收縮率都呈增大趨勢。從表2中不難看出，在燒結溫度為1550℃時，90氧化鋁陶瓷的體積密度和體積收縮率均達到最大，分別為3.39g/cm3和33.53%。

表2 配方5在不同燒結溫度下得到的樣品的體積密度和體積收縮率

3.2.2 配方4在1450℃不同保溫時間下得到的樣品的體積密度和體積收縮率

表3為同一燒結溫度配方4下不同保溫時間的90氧化鋁陶瓷體積密度和體積收縮率。由表3可知，氧化鋁陶瓷在同一配方和相同燒結溫度下，隨著保溫時間的增加體積密度和體積收縮率都呈增大趨勢。從表中不難看出，當保溫時間為4h時，陶瓷樣品的體積密度和體積收縮率分別為3.59g/cm3和31.09%；當保溫時間延長到8h時，陶瓷樣品的體積密度和體積收縮率均有所增大（但增加的幅度不是太大），分別達到3.75g/cm3和32.45%。

3.3 氧化鋁陶瓷的洛氏硬度

3.3.1 燒結溫度的影響

表4為不同配方的90氧化鋁陶瓷在不同燒結溫度下的洛氏硬度，其保溫時間都為2h。由表4可知，隨著溫度的升高洛氏硬度大部分呈增大趨勢，但有小部分洛氏硬度是隨著溫度的升高剛開始是逐漸增大的，到達一定值之后又慢慢減小。同時可知，不同配方下的90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度值相差是比較大的。從表中可以看出，第4組陶瓷配方在燒結溫度為1450℃時，90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度達到最大，為86.1HRA，由此說明第4組添加劑配方對于陶瓷的燒結致密產生了很好的促進作用，賦予了陶瓷樣品優異的力學性能。

3.3.2 保溫時間的影響

表5為同一燒結溫度和同一配方下不同保溫時間的90氧化鋁陶瓷的洛氏硬度。由表5可知，氧化鋁陶瓷在同一配方下，隨著保溫時間的增大洛氏硬度先增大后減小。從表中可以看出，在燒結溫度1450℃保溫時間為4h時，洛氏硬度達到最大，為86.5HRA，之后保溫時間延長到8h時，又出現逐漸下降的趨勢。這可能是由于陶瓷樣品達到燒結致密以后，過長的燒結保溫時間會導致試樣產生的過燒現象，試樣中的晶粒異常長大，從而對陶瓷樣品的力學性能產生不利影響。

表3 配方4在1450℃燒結下不同保溫時間的體積密度和體積收縮率

表4 不同配方，不同燒結溫度下所得陶瓷樣品的洛氏硬度

表5 配方4在1450℃下保溫不同時間所得陶瓷樣品的洛氏硬度

表6 配方4在不同溫度和不同保溫時間下的抗彎強度（MPa）

3.4 氧化鋁陶瓷的抗彎強度

表6為同一配方在不同燒結溫度和不同保溫時間下的90氧化鋁陶瓷的抗彎強度。從表6中可以看出，同一配方下，陶瓷樣品的抗彎強度隨著燒結溫度的升高呈現先增大后減小的變化趨勢。當燒結溫度和保溫時間分別為1350℃和2h時，抗彎強度為197.36MPa；當燒結溫度增大到1450℃時，抗彎強度達到極大值，為292.36MPa。對比在燒結溫度為1450℃，保溫時間分別為2h、4h和8h所得陶瓷試樣的抗彎強度可知，其變化趨勢也是呈現先增大后減小的趨勢。陶瓷樣品的抗彎強度的變化趨勢與前面的洛氏硬度變化趨勢基本一致。由表6相關數據可知，在1450℃下保溫4h后所得陶瓷試樣的抗彎強度為最佳（342.88MPa）。

4 結論

4.1 在所選擇的MnO2-TiO2、MgO-TiO2、TiO2-MnO2-MgO、MnO2-TiO2-La2O3和 TiO2-MgO-La2O3等體系復相添加劑中，以MnO2-TiO2-La2O3復相添加劑作為復合燒結助劑最好，在合適的制備條件下可以制得比較致密的90氧化鋁陶瓷制品。

4.2 燒結溫度與保溫時間對氧化鋁陶瓷的致密化、力學性能等方面有重要的影響。當選擇MnO2-TiO2-La2O3體系的燒結助劑時，在1450℃下保溫4h制得的90氧化鋁陶瓷的綜合性能最佳，其對應的抗彎強度和洛氏硬度分別為342.88MPa和86.5HRA。