高致密度氧化鋁陶瓷的制備及影響因素研究

李偉華 , 王成斌* , 王旭東 , 夏 熠 , 諶夢雨 , 母佰龍 , 朱鞏雨

(1.鄭州經緯科技實業股份有限公司 , 河南 鄭州 450001 ; 2.河南工業大學 , 河南 鄭州 450001)

隨著工業技術的發展,工業生產對氧化鋁陶瓷材料的性能要求越來越高。氧化鋁陶瓷的致密度極大地影響了陶瓷件的性能,高致密度的氧化鋁陶瓷具有機械強度高、氣孔率低、氣孔小、絕緣度高、介質損耗低等優良的性能,在醫學、紡織、造紙、電子、汽車、石化、機械密封等領域使用前景廣闊[1-3]。

本研究以易燒結α-氧化鋁粉為主體材料,具有高活性的鋁灰基鋁鎂料為復合燒結助劑,研究分散劑、黏結劑、干壓成型、燒結工藝等對材料性能的影響,制備高致密氧化鋁陶瓷材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本實驗所用主要原料為原晶粒度小、轉化率高的易燒結α-Al2O3粉。為了減少氧化鋁陶瓷中的氣孔率,外加助劑的使用起到決定性作用[4]。本實驗助劑選用了復合燒結助劑(高活性鋁灰基鋁鎂料)以及有機添加劑(工業級),如分散劑、黏結劑等。其中高活性鋁灰基鋁鎂粉料是通過優選工業鋁灰,經過高溫固相活化及添加除雜劑脫除雜質制備而成,其典型特征是結構疏松,表面缺陷多,燒結活性大。所用易燒結氧化鋁粉(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司)和高活性鋁灰基鋁鎂料(鄭州經緯科技實業股份有限公司)的化學成分如表1所示。

表1 原料主要化學組成(質量分數) %

1.2 實驗過程

試樣制備:將α-Al2O3粉體、復合添加劑和水按一定比例混料,加入適量的分散劑、黏結劑,在研磨機上球磨,檢測粒度,漿體經過處理后,造粒、制樣,在高溫電爐進行燒結,后取出進行性能檢測。

檢測方法:借助熒光分析樣品的化學成分;利用粒度分析儀BT9300S分析樣品的粒度;采用阿基米德排水法,利用顯氣孔體密測定儀檢測試樣的體積密度,設備型號XQK-04;用電子萬能試驗機測試試樣三點抗彎強度(GB/T6569-2006),設備型號UTM-3404;利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品的形貌,所用的器材是荷蘭PHILIPS公司生產的掃描電子顯微鏡(FEI,INSPECTF50)。

2 結果與討論

2.1 分散劑對料漿性能的影響

高效分散劑可對原料粉體進行適當的表面改性,降低高價反離子雜質濃度,防止已經打開的晶體再次團聚,使物料粒度變細[5-6]。表2為不加分散劑(NDIS)及加入不同類型分散劑DIS-Ⅰ、DIS-Ⅱ后的漿體粒度。

表2 分散劑對料漿粒度的影響

從表2可知,加入分散劑后粒度明顯變細。不加分散劑時D50為1.47 μm,加入DIS-Ⅰ后為0.97 μm,加入DIS-Ⅱ后D50變為0.98 μm,D98降為6.87 μm,DIS-Ⅱ的性能優于DIS-Ⅰ。表3為加入不同含量的DIS-Ⅱ后漿體24 h研磨后粒度變化趨勢。

表3 不同含量的分散劑DIS-Ⅱ粒度對比

從表3中看出,隨著分散劑加入量逐步增加,粉體粒度變得越來越小,從加入量0.2%到0.6%的過程中,粒度變化明顯,D50由1.06 μm降為0.91 μm,D98由7.61 μm降為6.38 μm,隨后從加入量0.6%到加入量1.0%過程中,變化不明顯,粒度基本不再減小。因此,選用分散劑加量為0.6%。

2.2 黏結劑加入量對坯體密度的影響

特種陶瓷干壓成形時首先需要對符合要求的陶瓷粉末進行造粒,然后壓制成型。黏結劑主要起黏合作用,增大假顆粒粒徑,增加顆粒強度,而黏結劑的含量則影響著造粒粉的性能[7]。表4為加入不同含量黏結劑PVA時的Al2O3坯體密度。

表4 加入不同含量PVA的坯體密度 kg/L

由表4可知,隨著PVA含量的增加,坯體的密度增大,在加入量為1.0%時坯體的密度最大。

當PVA達到一定含量時,進一步增加PVA,包裹在顆粒外層的PVA厚度增大,顆粒之間的距離加大,坯體的密度降低,毛細管力降低,坯體強度下降。此外,隨著PVA含量增大,造粒得到的顆粒團聚體強度增大,壓制的坯體中含有未被壓碎的殘余顆粒團聚體,使坯體存在較大內部缺陷。又由于黏結劑含量高,燒結后陶瓷的氣孔率增加,在保證坯體的密度和強度并且不存在殘余顆粒團聚體的前提下,黏結劑含量越少越好。

2.3 壓力對坯體密度的影響

干壓成形具有黏結劑含量低,不經干燥可直接燒結,生產工序簡單,效率高,坯體收縮小,可自動化生產等優點。高致密的坯體可以減小顆粒間氣孔直徑,促進燒結,降低燒結溫度,還有利于提高陶瓷材料的燒結致密度及性能[8]。干壓成型時,壓力隨坯體高度增大而呈指數衰減,形成一個密度梯度,同時粉末顆粒之間、粉體與模具壁之間,都存在內外摩擦而導致坯體密度分布不均勻。為了得到致密度高且缺陷少或無缺陷的坯體,壓力的選擇非常重要[9]。壓力太小,坯體達不到最大致密化,以至于影響燒結致密化過程;壓力過大,會由于坯體彈性效應引起層裂,從而導致坯體密度降低;只有壓力適中,才會壓制出理想的坯體[10]。

圖1為加入不同含量PVA,保壓7 s時,Al2O3粉體壓型后坯體密度隨壓制壓力的變化曲線。可見Al2O3坯體密度隨著壓力的增大而增大。壓力加大時,顆粒開始滑動,呈緊密狀態堆積,密度逐漸提高。當壓力達到40 MPa之前,坯體密度隨壓力變化明顯逐步增加;40 MPa之后,壓力繼續增大對坯體密度影響不大。

圖1 坯體密度隨壓力變化曲線圖

2.4 保壓時間對坯體密度的影響

保壓時間對Al2O3坯體性能有很大影響,若保壓時間縮短,說明加壓過快,氣體不易排出。同樣,當壓力沒有傳遞到應有的深度時,外力就已消失,也難以得到理想的坯體質量。當然,若加壓速度太慢,保壓時間過長,則會降低生產效率。故應根據Al2O3坯體的體積、厚薄和形狀來調整加壓速度和保壓時間。

圖2是壓力為30、40、50 MPa時,坯體密度隨保壓時間變化曲線。

圖2 坯體密度隨保壓時間變化曲線

從圖2可以看出,隨著保壓時間t延長,Al2O3坯體密度不斷提高;當保壓時間超過7 s后,Al2O3坯體密度不再明顯提高。一般對于壁厚度大、高度大、形狀較復雜的大型產品,開始加壓時宜慢,中期可快,后期宜慢,并有一定的保壓時間,這樣,有利于氣體的排出和壓力的傳遞。對于小型薄片坯體,加壓速度可以適當加快,以提高生產效率。

2.5 燒成溫度對力學性能影響

試樣在不同溫度下的實驗結果見表5。

表5 試樣在不同溫度下的實驗結果

從表5可以看出,隨著溫度的升高,樣品的各項性能參數不斷提高,在1 650 ℃時,達到最佳,此時體積密度為3.87 kg/L,抗彎強度為397 MPa,超過1 650 ℃,體積密度和抗彎強度開始下降。雖然1 650 ℃和1 700 ℃燒結時,坯體密度相差不大,但是抗彎強度卻差別明顯。故燒成最好的條件為是溫度1 650 ℃,保溫時間1.5 h。此外,還要注意制品的加熱速度,加熱速度慢時,坯體內外溫度差小,產品燒結良好、體積密度大;加熱速度若超過200 ℃/h以上時,坯體內外溫度差較大,產品燒結性能較差,亦產生開裂。

2.6 顯微結構分析

圖3為不同燒結溫度下的配方樣品的SEM照片。1 550 ℃燒后試樣的體積密度為3.73 kg/L,抗彎強度為343 MPa,從對應的顯微結構圖中可以看出未充分燒結,晶粒排列疏松,還有部分晶粒未完全長大,且晶內和晶間的微孔較多,還具有一定的燒結空間。1 650 ℃燒后,氧化鋁晶體發育良好,晶粒于晶粒之間連接緊密,沒有細小晶粒,未出現晶粒的異常長大現象,體積密度3.87 kg/L,抗彎強度最佳為397 MPa。1 700 ℃燒后的SEM圖中看出,燒結過程中出現了晶粒異常長大的現象,且晶內和晶間的氣孔較多,由于燒結溫度過高,會引起晶粒過分長大,或個別的晶粒異常長大,導致重結晶的產生,同時這些封閉的微孔導致材料的抗彎強度下降,從而使材料的強度降低[11]。

圖3 不同溫度下的陶瓷材料SEM照片

3 結論

利用易燒結α-Al2O3粉,鋁灰基高活性鋁鎂料為主要原料制備高致密氧化鋁陶瓷。研究結果表明用高活性鋁灰基鋁鎂料作添加劑,通過選擇合適的分散劑、調整黏結劑加入量、調整成型壓力、保壓時間、優化制備工藝,經1 650 ℃高溫燒結,制備高致密氧化鋁陶瓷材料,在技術上是可行的。該材料體積密度3.87 kg/L,收縮率18.32%～18.41%,抗彎強度397 MPa,具有優良的性能。