燒成溫度對氧化鋁—氧化鋯復(fù)相粉體結(jié)晶性能的影響

劉振英，張 銳，郭正函，任 倩，郝自勝，馮 馳

（安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

氧化鋁—氧化鋯復(fù)相陶瓷具有良好的高溫機(jī)械強(qiáng)度、耐磨和抗氧化能力，低的熱導(dǎo)率等性能，因此在工業(yè)生產(chǎn)中氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷得到廣泛關(guān)注。在工藝生產(chǎn)中，影響制品性能的因素很多，燒成溫度對復(fù)相陶瓷性能也產(chǎn)生重要的影響，如燒成溫度對粉體相變和結(jié)晶的影響。且燒成溫度的合理選擇，能夠達(dá)到節(jié)能的效果，因此本研究主要探討燒成溫度對粉體結(jié)晶性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計

試驗(yàn)中最終確定方案的變量有兩個：氧化鋯含量、燒結(jié)溫度。在原料配比階段需要改變的是復(fù)合粉體中的氧化鋯含量，試驗(yàn)采用了添加氧化鋯10%、15%、20%的配比方案，分別標(biāo)記為試樣a、b、c。選用氧化釔作為氧化鋯的穩(wěn)定劑，占氧化鋯含量的3%，PEG400作為溶液的分散劑，依據(jù)表1進(jìn)行配方設(shè)計。

表1 氧化鋁—氧化鋯復(fù)合粉體方案設(shè)計

1.2 樣品表征

通過液相法制備凝膠，凝膠在干燥并且研磨之后，進(jìn)行TG-DSC熱分析，所用的儀器型號為STA449F3，測試的溫度范圍：室溫～1 250℃，升溫速率為10℃/min，標(biāo)準(zhǔn)參比物是Al2O3，復(fù)合粉體分別在1 100、1 200、1 590℃下燒成并保溫1h后，用LabX XRD-6000型X-射線衍射儀對其進(jìn)行物相分析，樣品在衍射角為10～80°，掃描速度為5°/min。

圖1 預(yù)燒粉體的TG-DSC曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合粉體的熱分析

對復(fù)合粉體b試樣做TG-DSC分析，如圖1所示。從曲線中可以看出溫度低于500℃，粉體一直處于質(zhì)量損失的狀態(tài)，是由于粉體中的水分不斷蒸發(fā)和有機(jī)物分解造成的。結(jié)合DSC曲線，在116℃時對應(yīng)一個明顯的吸熱峰，這一吸熱峰表示的是吸附水蒸發(fā)過程，質(zhì)量損失約10%，干燥之后的粉體在空氣中儲存會吸附一部分的空氣水分；在280℃時，也有較明顯的吸熱峰，這一吸熱峰可能是有機(jī)物的揮發(fā)，質(zhì)量損失約15%，主要是溶液配制過程加入的PEG400引起的；在1 070℃顯示的放熱峰在質(zhì)量沒有損失的條件下可能發(fā)生了相轉(zhuǎn)變。

2.2 復(fù)合粉體在不同溫度下的物相分析

圖2是復(fù)合粉體在1 100℃燒結(jié)得到的XRD分析圖譜。在該溫度下，氧化鋯大部分是單斜晶型，氧化鋁主要是以θ-Al2O3晶型出現(xiàn)。

圖2 復(fù)合粉體經(jīng)1 100℃燒結(jié)的XRD圖譜

圖3 復(fù)合粉體經(jīng)1 200℃燒結(jié)的XRD圖譜

圖3 是復(fù)合粉體在1 200℃燒結(jié)得到的XRD分析圖譜。從圖3可以看出，在該溫度下，復(fù)合粉體中的氧化鋯發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變，基本從單斜氧化鋯轉(zhuǎn)化為四方氧化鋯，這種轉(zhuǎn)變會伴隨著體積的變化，單斜到四方相轉(zhuǎn)變會發(fā)生體積收縮，隨著溫度降低，粉體由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變會發(fā)生體積膨脹。因此在這一溫度的燒結(jié)過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的升溫控制，目的是讓氧化鋯能夠在晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)徹底轉(zhuǎn)變。

圖4是復(fù)合粉體在1 590℃燒結(jié)得到的XRD分析圖譜。從圖可以看出，在1 590℃氧化鋯全部從單斜轉(zhuǎn)化為四方相，在降溫過程中，晶型轉(zhuǎn)變伴隨體積的變化，因此，會受到來自晶界的壓應(yīng)力，阻礙相變發(fā)生，分散了相變的應(yīng)力集中，改善粉體的性能。在1 590℃的高溫?zé)Y(jié)條件下，氧化鋁的晶型也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從原來的立方晶系轉(zhuǎn)化為六方晶系，氧化鋁全部轉(zhuǎn)化為α-Al2O3，衍射峰逐漸變尖銳，說明結(jié)晶程度逐漸變好。

圖4 復(fù)合粉體經(jīng)1 590℃燒結(jié)的XRD圖譜

圖5 1 200℃下燒結(jié)的復(fù)合粉體SEM照片

圖6 1 590℃下燒結(jié)的復(fù)合粉體SEM照片

2.3 復(fù)合粉體的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖5 是氧化鋁—氧化鋯復(fù)合粉體在1 200℃燒成后的SEM照片。從圖5可以看出，顆粒分布不均，內(nèi)部氣孔較多，有晶粒異常長大現(xiàn)象。圖6是氧化鋁—氧化鋯復(fù)合粉體在1 590℃燒成后的SEM照片，從圖6可以看出，隨溫度升高，晶粒大小分布均勻，顆粒結(jié)合較好，晶相分布均勻。

3 結(jié)論

(1) 隨著燒結(jié)溫度的升高，在1 200℃，單斜氧化鋯相向四方氧化鋯相的轉(zhuǎn)變基本能夠完成，這對氧化鋁—氧化鋯復(fù)相粉體的性能也起到一定的促進(jìn)作用，可以增強(qiáng)復(fù)相材料的強(qiáng)度。

(2) 燒結(jié)溫度在1 590℃時，氧化鋁也會產(chǎn)生一定的晶型轉(zhuǎn)變，這些晶型轉(zhuǎn)變，可以改善復(fù)合相粉體的性能，因?yàn)樵诶鋮s過程中氧化鋯的相轉(zhuǎn)變帶來的體積膨脹可以產(chǎn)生增韌效果，而α-氧化鋁的生成對于復(fù)相粉體強(qiáng)度的增加也有一定的促進(jìn)作用。