納米SiO2添加量對95氧化鋁陶瓷力學性能的影響*

姬軍成 王 升 何 舜

(1 陜西華星電子集團有限公司 陜西 咸陽 712000)(2 咸陽澳華瓷業(yè)有限公司 陜西 咸陽 712000)

氧化鋁陶瓷是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的材料之一,被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè),在航天、化工等不同領(lǐng)域都能看見氧化鋁陶瓷的身影[1～5]。根據(jù)氧化鋁含量的不同,氧化鋁陶瓷又分為低鋁瓷和高鋁瓷,其中氧化鋁含量85%以上的為高鋁瓷。目前在生產(chǎn)中,使用最廣泛的是氧化鋁含量約為95%的氧化鋁陶瓷,稱為“95瓷”。95瓷具有機械強度高、導熱性能好、絕緣強度高等優(yōu)點,被廣泛用于電阻基體、集成電路基片、封裝管殼等行業(yè)。近年來,高端95瓷領(lǐng)域一直被日本、美國等發(fā)達國家的氧化鋁陶瓷生產(chǎn)企業(yè)所壟斷。其原因是國產(chǎn)的95氧化鋁陶瓷零件性能與國外有一定的差距。提高95氧化鋁陶瓷不同方面的性能,則需要加入合適的添加劑。

納米添加劑由于粒子尺寸特別小,具有較高的比表面能,納米微粒的活性較大,自身熔點較低,能夠給燒結(jié)過程中的原子運動提供驅(qū)動力,顯著降低燒結(jié)溫度[6～7]。例如常規(guī)的工業(yè)氧化鋁燒結(jié)溫度在1 800℃左右,而納米氧化鋁燒結(jié)溫度在1 400℃左右[8～9]。且納米添加劑具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,被廣泛應(yīng)用在磁、光、電等多個領(lǐng)域。經(jīng)過科學家多方面對納米添加劑研究,證實其具有優(yōu)異的熱學性能、光學性能、力學性能、磁學性能以及電學性能,是一種能夠有效提高材料各方面性能的添加劑。

張錫平等[10]通過向氧化鋁陶瓷中添加納米TiO2提高氧化鋁陶瓷的性能。實驗表明:添加納米TiO2能夠顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度,改善其微觀結(jié)構(gòu),且當納米TiO2添加量為2%,燒結(jié)溫度1 580℃時,顯氣孔率為0.54%。李詠梅等[11]研究了納米氧化鋁粉對氧化鋁陶瓷性能的影響,實驗結(jié)果表明:氧化鋁陶瓷在擠制成形的過程中加入適量的納米氧化鋁粉能夠有效提高生坯的密度,改善瓷件的力學性能以及微觀結(jié)構(gòu)。趙軍等[12]通過研究不同含量納米氧化鋁粉對氧化鋁陶瓷性能的影響,也得出了相似的研究結(jié)論,當添加30%的納米氧化鋁粉,氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度最低為1 450℃,利用SEM 觀測到,氧化鋁陶瓷微觀尺寸均一,抗彎強度和斷裂韌性達到最優(yōu)。而研究納米SiO2對95氧化鋁陶瓷性能影響的報道還比較少,因此筆者以CMS為基礎(chǔ)添加劑,采用干壓成形工藝制備樣品,探究納米SiO2對95氧化鋁陶瓷性能的影響。

1 實驗過程

1.1 原料及實驗過程

實驗所使用的氧化鋁粉料粒徑為4～9μm,購買于河南某氧化鋁廠;CaO、Mg O、SiO2為工業(yè)級粉料,購買于陜西某化工廠;納米SiO2的平均粒徑為50 nm,購買于寧波某廠家。

按表1的配方,將氧化鋁粉、CaO、MgO、SiO2、納米SiO2依次加到球磨罐中,再加入水和氧化鋁球(料、球、水比例為1∶1.1∶0.8)。使用行星球磨機球磨4 h后,得到球磨好的漿料,漿料通過110℃的烘箱烘干,烘干后的粉料研磨后過150目篩網(wǎng),隨后加入粘結(jié)劑聚乙烯醇(聚乙烯醇的濃度為10%),然后過40目和150目的篩網(wǎng),得到造粒粉。采用干壓成形工藝壓制生坯,造粒粉通過100 T 液壓機成形出樣品生坯,再經(jīng)過箱式爐在不同的溫度下焙燒得到實驗所需的樣品。

表1 樣品配方組成

1.2 樣品測試

吸水率和體積密度通過阿基米德法進行測定;樣品的外觀形貌通過EM-30PLUS型掃描電鏡進行觀測;抗彎強度通過SGL-8000型抗彎強度測試儀進行測量;斷裂韌性通過HV-30RX 斷裂韌性分析儀進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 體積密度

圖1(a)為不同燒結(jié)溫度下未添加納米SiO2所制備樣品的體積密度變化曲線。從圖1(a)可以看出,隨著燒結(jié)溫度從1 500℃增加至1 650℃,樣品的體積密度先增加后減小,燒結(jié)溫度為1 600℃時,體積密度達到最大值3.65 g/cm3;當燒結(jié)溫度提高到1 650℃時,體積密度反而減小。這是因為當燒結(jié)溫度過高時,氧化鋁陶瓷中玻璃相增多,更多的鈣長石和尖晶石會溶解到玻璃相中,而鈣長石和尖晶石的密度大于玻璃相,造成體積密度減小。說明在本實驗中,燒結(jié)溫度為1 600℃時,能夠提高樣品的體積密度,最有利于樣品的燒成。因此,后續(xù)實驗過程中樣品的燒結(jié)溫度都在1 600℃下進行。

圖1 樣品的體積密度

圖1(b)為不同納米SiO2添加量所制備樣品的體積密度變化曲線。從圖1(b)可以看出,在樣品中增加部分的納米SiO2,能夠顯著提高產(chǎn)品的體積密度,當納米SiO2的添加量為2%時,產(chǎn)品的體積密度最高為3.70 g/cm3。通過觀察發(fā)現(xiàn),當納米SiO2的添加量為3%時,產(chǎn)品的體積密度為3.67 g/cm3,說明添加過量的納米SiO2反而不利于提高產(chǎn)品的體積密度。

2.2 SEM 分析

圖2 是納米SiO2不同添加量所制備出樣品的SEM 圖。

圖2 1 600℃樣品的SEM 圖

由圖2可知,添加適量的納米SiO2能夠有效改善氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),當納米SiO2添加量為2.0%時,氧化鋁陶瓷晶粒尺寸最小,且晶粒尺寸均一,添加量分別為0%、1.0%、3.0%時,所制樣品的晶粒尺寸較大,都出現(xiàn)了部分晶粒的過分生長。這是因為納米SiO2具有較高的比表面能,粒子活性高,能夠有效活化氧化鋁晶粒的晶格,提供燒結(jié)驅(qū)動力,降低成瓷所需要的溫度,有利于得到尺寸較小的氧化鋁陶瓷晶粒。而當納米SiO2的添加量過多時,納米SiO2在陶瓷中的分散性降低,部分納米SiO2發(fā)生團聚,不利于改善氧化鋁陶瓷晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。并且在四個樣品中都發(fā)現(xiàn)了片狀晶粒的存在,這是由于在燒成過程中,添加劑會選擇性吸附在氧化鋁晶粒的不同晶面,造成氧化鋁不同晶面的生長速率不一致,導致氧化鋁晶粒出現(xiàn)了片狀晶粒。

2.3 力學性能

表2是納米SiO2不同添加量所制備樣品的力學性能測試結(jié)果,并將結(jié)果繪于圖3中。

表2 樣品的力學性能測試結(jié)果

從圖3可以看出,未添加納米SiO2樣品的抗彎強度和斷裂韌性分別為255.35 MPa和5.11 MPa·m1/2,添加適量的納米SiO2能夠有效地提高樣品的力學性能,且隨著納米SiO2添加量的增加,抗彎強度和斷裂韌性兩者呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,都是先增加后減小,當納米SiO2添加量為2%時,樣品的力學性能最佳,抗彎強度和斷裂韌性分別為342.89 MPa和5.34 MPa·m1/2。相比未添加納米SiO2樣品的抗彎強度和斷裂韌性分別提高了34.28%和4.5%。這是由于加入適量的納米SiO2能夠促進形成低共溶液相,加速晶粒的致密化進程以及氣孔的排出,細化了晶粒。晶粒尺寸是影響陶瓷抗彎強度的重要因素,根據(jù)Hall-pitch關(guān)系式:σS=σ0+Kd-1/2可知,陶瓷材料的抗彎強度與晶粒尺寸成反比,隨著晶粒尺寸的減小,陶瓷材料的抗彎強度提高[13]。因此當納米SiO2添加量為2%時,抗彎強度最佳。當晶粒較小時,氧化鋁陶瓷的晶界被強化,沿著晶界斷裂所需要的能量較大,大部分沿晶斷裂會因此變?yōu)榇┚嗔?穿晶斷裂能夠提高材料的斷裂韌性,并且較小的晶粒能夠細化顯微結(jié)構(gòu),減少內(nèi)部缺陷,提高斷裂韌性。而當納米SiO2較少或較多時,氧化鋁陶瓷的晶粒較大,穿晶斷裂的比例減小,斷裂韌性降低。

圖3 樣品的力學性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在95氧化鋁陶瓷中加入適量的納米SiO2能夠有效地改善氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),當納米SiO2的添加量為2%時,氧化鋁陶瓷的微觀晶粒尺寸均一,且尺寸最小。在4個樣品中都觀察到了有部分的片狀晶粒,這與氧化鋁不同晶面的生長速率不一致有關(guān)。

(2)隨著納米SiO2的添加量的增加,樣品的體積密度先增加后減小,當添加量為2%時,產(chǎn)品的體積密度最高為3.70 g/cm3。樣品的力學性能也在添加量為2%時最佳,抗彎強度和斷裂韌性分別為342.89 MPa和5.34 MPa.m1/2。相比未添加納米SiO2樣品的抗彎強度和斷裂韌性分別提高了34.28%和4.5%。