滑石電子瓷力學(xué)性能優(yōu)化研究

賀亦文 夏 清 方豪杰 王雪倩 劉建平

(1 湖南省美程陶瓷科技有限公司 湖南 婁底 417600)(2 長沙理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410114)

前言

以滑石為主要原料的滑石瓷具有優(yōu)良的絕緣性能，其介電常數(shù)低，介質(zhì)損耗角正切值低，比體積電阻率高，并具有中等力學(xué)強(qiáng)度，是電子、信息、計算機(jī)、通訊等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，在當(dāng)前先進(jìn)陶瓷材料研究領(lǐng)域中具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景[1]。但滑石瓷的燒結(jié)范圍比較窄，一般只有20 ℃左右，這就給瓷坯的燒結(jié)帶來限制[2]，導(dǎo)致滑石瓷力學(xué)強(qiáng)度不夠高而影響滑石瓷的產(chǎn)品質(zhì)量。筆者以滑石電子瓷力學(xué)性能優(yōu)化研究為目標(biāo)，調(diào)整滑石、輔助料、助熔劑、增強(qiáng)劑的用量，進(jìn)行多項研究試驗，以期獲得較優(yōu)力學(xué)性能的滑石電子瓷。

1 試驗部分

本研究以熟滑石、生滑石為主要原料，輔以鉀長石、高嶺土，配以少量的碳酸鋇、氧化鋅、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鋁作為燒結(jié)助劑，并使用聚乙烯醇作為成形粘結(jié)劑，設(shè)計了9組[3～4]滑石瓷試樣的配方，同時將美程陶瓷科技公司生產(chǎn)的配方與之作以對比，制備滑石瓷試樣，試樣坯料配方如表1所示。

表1 滑石瓷試樣坯料化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.1 Chemical composition of talc ceramic samples (wt%)

試驗工藝過程包括：原料處理、配料、濕法球磨、干燥、實驗室造粒；將制備好的造粒粉在企業(yè)進(jìn)行干壓成形(壓制強(qiáng)度為60 MPa)及常壓燒成、性能檢測、顯微結(jié)構(gòu)分析。其中采用吸紅實驗來判斷滑石瓷試樣的燒結(jié)程度；用DPZ0X型密度計測定實驗密度；用EP2003抗彎試驗儀測試抗彎強(qiáng)度；用日本D/Max2200PCX射線衍射儀進(jìn)行滑石瓷瓷相組成分析，用JEOL -JSM-6490LV型電子顯微鏡分析試樣顯微結(jié)構(gòu)。首先將10個坯料配方的成形試樣在常壓下分別燒成1 276 ℃、1 296 ℃、1 324 ℃、1 344 ℃的4個溫度，篩選出力學(xué)強(qiáng)度較高的配方。然后將篩選出的配方加上美程的配方M進(jìn)行重復(fù)實驗，在1 302 ℃，1 317 ℃，1 332 ℃、1 351 ℃的4個溫度下燒成，對試樣的力學(xué)性能及顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，以獲得抗彎強(qiáng)度高且燒結(jié)性能好的滑石質(zhì)瓷的配方。

2 結(jié)果及討論

2.1 長石對滑石瓷燒結(jié)及性能的影響

試驗分別測得各配方在相應(yīng)溫度下試樣的抗彎強(qiáng)度(表中均以“σ”表示)、燒結(jié)情況如見表2。

由表2可知，配方中含K2O、Na2O，則滑石瓷試樣在較低的燒成溫度下燒結(jié)，而在較高的燒成溫度下過燒，如D2，D1～D7等配方，配方中不含K2O、Na2O，則滑石瓷試樣在較低的燒成溫度下未燒結(jié)而在較高的燒成溫度才燒結(jié)，如M、M’，等配方，并且各個配方試樣燒結(jié)程度都隨著燒成溫度的升高而增強(qiáng)。同時，配方D1、M、M’，試樣的最高抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)在1 344 ℃燒成時，配方D2、D3試樣的最高抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)在1 324 ℃燒成時， D4試樣的抗彎強(qiáng)度在以上4個燒成溫度下都較低；配方D5、D6、D7試樣的抗彎強(qiáng)度的高值均出現(xiàn)在1 276 ℃燒成時，而且D7試樣在1 292 ℃、1 324 ℃燒成時抗彎強(qiáng)度較高，即D7配方1 276 ℃燒成的試樣強(qiáng)度較高并在后續(xù)高些的溫度下仍然強(qiáng)度穩(wěn)定，所以D7配方燒結(jié)范圍寬；D6配方抗彎強(qiáng)度較高、燒結(jié)范圍也較寬，但1 292 ℃燒成試樣的抗彎強(qiáng)度降低得較多。

表2 試樣性能及燒結(jié)情況Tab.2 Performance and sintering of samples

選出抗彎強(qiáng)度較高的1 344 ℃的D1(154.7 MPa)、1 324 ℃的D6(136.9 MPa)、1 324 ℃的D3(151.5 MPa)、1 276 ℃的D7(154.9 MPa)、1 344 ℃的M(159.4 MPa)5個試樣及強(qiáng)度較低的1 276 ℃時的D4、M試樣進(jìn)行XRD衍射分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 試樣的XRD衍射圖Fig.1 X-ray of samples

由圖1可知，這些試樣坯料的化學(xué)組成有些不同，但燒成后瓷相的主晶相均為MgSiO3，即斜頑火輝石，這可說明配方中由添加的碳酸鋇、氧化鋅、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鋁等引入的BaO、ZnO、ZrO2、AlO3等氧化物并未在滑石瓷中生成新的晶相。相比M配方，D系列配方均較大幅降低了滑石瓷的燒結(jié)溫度(其中D6、D7配方燒結(jié)溫度降低了50 ℃)。主要原因是D系列配方不同比例地添加了鉀長石(引入K2O、Na2O)。鉀長石在燒成過程中作為一種助熔劑可較多大幅度地降低燒成溫度，使滑石瓷燒成過程中更早地產(chǎn)生液相，還拓寬了燒結(jié)溫度范圍；熔融狀態(tài)的鉀長石冷卻后以玻璃體填充在瓷坯中的斜頑火輝石晶粒之間，促進(jìn)坯體致密化，在一定程度上提高力學(xué)強(qiáng)度以及瓷坯的光澤度，鉀長石對增加滑石瓷燒成范圍的作用[5]也非常大，少量的鉀長石加入能將燒成區(qū)間增加至50 ℃以上(如D6、D7配方)。

2.2 增強(qiáng)劑對滑石瓷性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響

將抗彎強(qiáng)度較高的D1、D3、D6、D7及M配方再分別制備坯料、造粒、成形(所有工藝同第一輪試驗)，在1 302 ℃、1 317 ℃、1 332 ℃、1 351 ℃溫度下燒成，考慮到節(jié)能的需要，1 351 ℃溫度下只燒成了M配方，分別測得各配方在相應(yīng)溫度下試樣的抗彎強(qiáng)度、燒結(jié)情況(如表3所示)。

由表3可知，在1 302 ℃燒成時，D1、D3、D6、D7試樣已全部燒結(jié)，但D1，D3試樣強(qiáng)度不穩(wěn)定，且最高強(qiáng)度也偏低，D6試樣強(qiáng)度較為穩(wěn)定，強(qiáng)度為106.57 MPa，D7試樣強(qiáng)度穩(wěn)定且高達(dá)136.70 MPa，力學(xué)性能較為優(yōu)良，由D7試樣的SEM圖(見圖2a)可見，1 302 ℃的試樣晶粒結(jié)合緊密、均勻、尺寸為5～12 μm；1 317 ℃燒成時，D系列全部燒結(jié)，其中D1、D3、D6配方試樣抗彎強(qiáng)度仍較低，D7試樣抗彎強(qiáng)度雖稍有下降，但仍然較其他配方的高，1 317 ℃的D7試樣之晶粒尺寸均勻性則有所下降，為2～12 μm、晶界棱角也不很明顯(見圖2b)；1 332 ℃溫度下燒成，D7配方試樣抗彎強(qiáng)度達(dá)到114.21 MPa，比D1、D3、D6配方試樣的抗彎強(qiáng)度都高出較多，在1 332 ℃時D7試樣晶粒的晶界棱角也更更加不明顯、并伴有氣孔出現(xiàn)(見圖2c)，呈現(xiàn)過燒的狀態(tài)。因而可以判斷，1 302 ℃為D7的最佳燒成溫度；而M配方試樣在1 302 ℃燒成時只是部分燒結(jié)，在1 332 ℃才開始燒結(jié)(表2也可佐證此結(jié)果)，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到117 MPa，1 351 ℃燒成時試樣抗彎強(qiáng)度降低為107.21 MPa。由試樣SEM圖2d可見，晶粒尺寸為5～12 μm、大小較為均一，未見氣孔、晶粒結(jié)合較為緊密，試樣完全燒結(jié)。

表3 試樣性能及燒結(jié)情況Tab.3 Performance and sintering of samples

a)1 302 ℃燒成的D7 b)1 317 ℃燒成的D7 c)1 332 ℃燒成的D7 d)1 351 ℃燒成的M圖2 試樣的SEMFig.2 SEM of samples

對于滑石瓷試樣的力學(xué)強(qiáng)度而言，D7在D系列配方中優(yōu)勢明顯，也超過M配方，抗彎強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上，在試驗過程中控制工藝相同，因而影響試樣抗彎強(qiáng)度的原因更多是試樣的配方。比較D1、D3、D6、D7配方，D7配方含有一定量的碳酸鋇，碳酸鋇[6]在起到助熔作用的同時也有效地增加了滑石瓷的力學(xué)強(qiáng)度，所以D7強(qiáng)度高于D系列其他配方滑石瓷；與M配方相比，D7配方中添加了少量的工業(yè)氧化鋁，少量氧化鋁可增大液相的高溫粘度[5～6]，使玻璃相強(qiáng)度有所提高，在高溫下與白硅石發(fā)生反應(yīng)生成硅線石可有效地提高瓷坯強(qiáng)度[7]；另一方面未參與反應(yīng)的氧化鋁均勻分散在瓷坯中起到彌散增韌的效果，也能在一定程度上增加瓷坯的力學(xué)強(qiáng)度，但不會增加瓷坯的燒成溫度，這是D7抗彎強(qiáng)度高于M配方滑石瓷的原因；配方中也減少了生滑石的比例引入了少量的鉀長石，一方面是由于生滑石會導(dǎo)致瓷坯的線收縮率增加，另一方面也能使鉀長石高溫下熔融后作為填充劑填充在晶粒中使坯體致密度增加，可能也對滑石電子瓷強(qiáng)度有部分影響。

3 結(jié)論

1)相比企業(yè)的M配方，D系列配方均較大幅降低了滑石電子瓷的燒結(jié)溫度，其中D6、D7燒結(jié)溫度降低50 ℃，D6、D7配方也大幅拓寬了滑石電子瓷的燒結(jié)溫度范圍，將燒結(jié)溫度范圍拓寬至50 ℃。

2)D7配方的最佳燒結(jié)為1 302 ℃，抗彎強(qiáng)度達(dá)到了133.7 MPa，比M配方的抗彎強(qiáng)度(1 332 ℃時117.49 MPa)提高了16%。

3)D7配方比M配方降低了滑石電子瓷的燒結(jié)溫度，拓寬了燒結(jié)溫度范圍，可降低廢品率、節(jié)約能源與成本，在抗彎強(qiáng)度上也有了較為明顯的提升，但D7配方實驗的其他性能是否符合電子瓷的要求還需要進(jìn)一步的研究。