莫來石對氧化鋁基復相陶瓷抗熱震性及顯微結構的影響

田嘉美 曹宇 王佳程 鄒素琳 蔣俊超 胡繼林

摘 要：氧化鋁陶瓷是一種應用廣泛的工程陶瓷材料，但存在斷裂韌性低、抗熱震性較差等缺點。為改善氧化鋁陶瓷的相關性能，本研究采用無壓共燒法制備了氧化鋁-莫來石-堇青石復相陶瓷，研究了莫來石添加量對氧化鋁基復相陶瓷體積密度、抗熱震性、顯微結構等方面的影響。結果表明，當添加的莫來石質量分數為20%時，在1 500 ℃保溫2 h制備的復相陶瓷具有較高的體積質量（3.838 g/cm3）、抗折強度（547.06 MPa）和較好的抗熱震性能（800 ℃剩余應力為47.09 MPa，且表面無裂痕）。由于莫來石在氧化鋁基體中起到了橋接、擋裂和拉出等增韌作用，同時可降低復相陶瓷的熱膨脹系數，因而賦予復相陶瓷較好的抗熱震性能。

關鍵詞：氧化鋁；莫來石；復相陶瓷；抗熱震性

氧化鋁（Al2O3）陶瓷是一種重要的工程陶瓷材料，具有高硬度（HRA80-90）、高熔點（約2 050 ℃）、高耐磨性、高耐腐蝕性、高介電強度、高介電常數、低介電損耗等優異的物理和化學性能，在機械、化工、電子、冶金、航空航天等領域有著廣泛的應用［1-3］。然而，氧化鋁陶瓷存在斷裂韌性低（約3～5 MPa·m1/2）、抗熱震性較差等不足［4］。這些缺點限制了氧化鋁陶瓷在高溫、高壓等惡劣環境下的應用。因此，如何改善氧化鋁陶瓷的力學與熱學性能，提高其使用壽命和可靠性，是當前高性能陶瓷材料研究的重要課題之一［5］。

為改善氧化鋁陶瓷的力學與熱學性能，許多學者采用添加彌散相、添加延性相、引入殘余應力、控制晶粒尺寸和形貌等多種方法展開了系列研究［6-8］。其中，添加彌散相和延性相是最常用的方法之一，即制備氧化鋁基復相陶瓷。通過復合可以實現相互補償和協同增效，從而獲得優于單一組分陶瓷的綜合性能［9］。

目前，氧化鋁基復相陶瓷的研究主要集中在以下幾個體系。

氧化鋯/氧化鋁復相陶瓷。氧化鋯（ZrO2）是一種具有可逆相變特性的陶瓷材料，將氧化鋯作為彌散相添加到氧化鋁基體中，可以有效地提高氧化鋁陶瓷的斷裂韌性和彎曲強度［10］。然而，氧化鋯/氧化鋁復相陶瓷制備過程中也存在一些問題，如：氧化鋯的相變溫度較高，導致復相陶瓷的熱膨脹系數較大，降低了其抗熱震性能；氧化鋯與氧化鋁之間的界面結合力較弱，容易造成剝離和脫落等。

碳化硅/氧化鋁復相陶瓷。碳化硅（SiC）是一種具有優異的力學、熱學和耐化學腐蝕性能的陶瓷材料［11］。然而，碳化硅/氧化鋁復相陶瓷也存在界面結合力較弱，容易造成界面反應和界面裂紋。

莫來石/氧化鋁復相陶瓷［12］。莫來石（3Al2O3·2SiO2）是一種具有特殊晶體結構和形貌的無機材料，在高溫下可以形成類似于天然纖維的晶須結構［13］。莫來石晶須具有高彈性模量（約300 GPa）、高斷裂韌性（約15 MPa·m1/2）、低密度（約3.1 g/cm3）、低熱膨脹系數（約5×10-6 K-1）等優異的物理和力學性能。將莫來石晶須作為增強相或彌散相添加到氧化鋁基體中，可以有效地提高氧化鋁陶瓷的抗折強度、斷裂韌性、抗熱震性能和耐腐蝕性能。莫來石晶須在氧化鋁基體中起到了橋接、擋裂和拉出等增韌作用，同時也降低了復相陶瓷的熱膨脹系數，提高了其抗熱震性能［12，14］。因此，如何優化莫來石/氧化鋁復相陶瓷的組成、結構和工藝，以提高其力學與熱學性能，成為當前莫來石/氧化鋁復相陶瓷的研究重點之一。

基于上述氧化鋁陶瓷的研究現狀，本研究擬選擇氧化鋁為主要原料，以一定量的莫來石和堇青石作為增強相或彌散相，同時添加適量的燒結助劑，采用模壓成型與無壓燒結工藝制備出氧化鋁基復相陶瓷，著重探討莫來石用量對氧化鋁基復相陶瓷的體積質量、氣孔率、抗折強度、抗熱震性、顯微結構等方面的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

氧化鋁（Al2O3，工業純，安邁鋁業〈青島〉有限公司）、莫來石（3Al2O3·2SiO2，工業純，河南義翔新材料有限公司）、堇青石（Mg2Al4Si5O18，工業純，河南義翔新材料有限公司）、氧化釔（Y2O3，分析純，上海化學試劑研究所有限公司）、氧化鑭（La2O3，分析純，國藥集團化學試劑有限公司）、氧化鈦（TiO2，分析純，廣東光華化學廠有限公司）和氧化鎂（MgO，分析純，湖南湘中化學試劑有限公司）。

1.2 復相陶瓷的制備

根據不同的組成比例，按實驗配方（表1）分別稱量各實驗原料。本研究中添加的莫來石原料的顯微形貌如圖1所示。將稱取好的各種粉料放入球磨罐中，選擇一定量的超純水作為分散劑（料與水的質量比為1∶1.2），加入適量的氧化鋯球作為球磨介質，在行星式球磨機中進行球磨混合。球磨混合時間為2 h，轉速為500 r/min。球磨時間結束后，將漿料混合物取出轉入烘箱中，100 ℃下干燥12 h。將干燥后的混合粉末倒入瑪瑙研缽中，用研缽頭搗碎研磨。再稱取一定量配制好的聚乙烯醇（PVA）溶液，均勻加入到混合粉末中，充分混合均勻后，將粉料用250 μm孔徑的篩網過篩處理。將處理好的上述混合粉末放入鋼制模具中成型，成型壓力為100 MPa，保壓時間為1 min。將模壓成型后的陶瓷樣品放入高溫箱式電阻爐中，用1 500 ℃進行燒結（平均升溫速率約為6 ℃/min），保溫時間為2 h。保溫時間結束后，陶瓷樣品隨爐自然冷卻至室溫，即得到氧化鋁基復相陶瓷。

1.3 樣品測試與表征

采用阿基米德排水法分別測定燒結好的氧化鋁基復相陶瓷樣品的體積質量、氣孔率與吸水率。用電子式萬能試驗機（CMT-50）測定氧化鋁基復相陶瓷樣品的抗折強度。采用自行設計和制作的熱震試驗機，將陶瓷樣品從室溫快速升溫到200 ℃，保持20 min后用流動冷水快速冷卻到室溫（后續陶瓷樣品溫度設計在200～800 ℃之間，每間隔100 ℃進行重復操作），隨即進行抗折強度測定，表征陶瓷樣品的抗熱震性能。用掃描電子顯微鏡（CXS-5TAH-119391，韓國COXEM公司）對陶瓷樣品斷面的顯微結構進行分析。

2 結果與分析

2.1 體積質量

表2是在1 500 ℃燒結后不同配方的氧化鋁基復相陶瓷體積質量。可知，隨著莫來石的含量由0至20%的增大，氧化鋁基復相陶瓷的體積質量隨之增大。相較于2＃配方，3＃配方陶瓷樣品體積質量的增加更為顯著，平均值達到了3.838 g/cm3。說明莫來石含量在一定程度上的增加對陶瓷致密化有一定影響，這可能是在燒結過程中，莫來石晶粒將氧化鋁晶粒更加緊密地結合在一起，進而提高了復相陶瓷的體積質量。

2.2 氣孔率與吸水率

表3與表4分別是在1 500 ℃燒結后不同配方的氧化鋁基復相陶瓷的氣孔率與吸水率測定結果。從表3可知，得益于莫來石的添加，氧化鋁基復相陶瓷的氣孔率得到了顯著的降低。未添加莫來石的配方樣品（1#）的氣孔率平均為4.88%；而當莫來石的添加量為10%（2#）時，燒結后陶瓷樣品的氣孔率降至0.35%；當莫來石的添加量增加至20%（3#）時，復相陶瓷樣品的氣孔率進一步降低至0.22%。莫來石添加量對復相陶瓷樣品的吸水率影響呈現出相同的變化趨勢。當莫來石的添加量為0時，所得陶瓷樣品的平均吸水率為1.39%，當莫來石的添加量為20%時所得的復相陶瓷的吸水率降至0.06%。

2.3 抗折強度

表5是在1 500 ℃燒結溫度下所制備的不同配方陶瓷樣品的抗折強度。可以看出，未添加莫來石的氧化鋁基復相陶瓷抗折強度遠小于添加了莫來石的氧化鋁基復相陶瓷。未添加莫來石的配方樣品（1#）的抗折強度僅為121.17 MPa；當莫來石的添加量為10%（2#）時，燒結后陶瓷樣品的抗折強度增至355.48 MPa；當莫來石的添加量增加至20%（3#）時，復相陶瓷樣品的抗折強度進一步增大，達到547.06 MPa。可見，一定量莫來石的添加對提高氧化鋁基復相陶瓷的抗折強度有積極的作用。

2.4 高溫熱震性能

表6是陶瓷樣品在不同溫度熱震處理后的抗折強度，熱震處理的溫度區間為200～800 ℃（公差為100 ℃）。由表6可以看出，1＃配方陶瓷樣品熱震剩余應力的變化趨勢不明顯，可能是由于應力基數較低（僅121.17 MPa），或是陶瓷樣品致密度較低導致測試抗折強度的斷裂口堆積較多微裂紋所致，不過仍能在表6中看到在300 ℃與700 ℃熱震條件下剩余應力的顯著變化。2＃配方與3＃配方氧化鋁基復相陶瓷在熱震溫度處于300 ℃與700 ℃時熱震剩余應力的消耗相較于其他溫度更加顯著，而在300～700 ℃之間熱震剩余應力的損耗趨勢較小，由此可以判定氧化鋁基復相陶瓷處于300 ℃與700 ℃時的熱震損耗較大。添加了莫來石的2＃配方與3＃配方氧化鋁基復相陶瓷在800 ℃時的熱震剩余應力近乎相同（±0.01 MPa），而未添加莫來石的1＃配方氧化鋁基復相陶瓷在800 ℃的剩余應力低于添加了莫來石的兩組。由此說明，莫來石的添加對氧化鋁基復相陶瓷的抗熱震性能確實有提升的作用。

2.5 顯微結構

圖2為在1 500 ℃燒結后不同實驗配方的斷口掃描電鏡照片。大量灰暗色的顆粒均勻分布在斷口處，此類顆粒為主晶相氧化鋁顆粒。在圖2（a）和2（b）中，灰暗色顆粒尤為顯著，在圖2（c）、2（d）、2（e）和2（f）中形成完整塊狀，這說明在體系中添加一定量莫來石后，氧化鋁基復相陶瓷中氧化鋁晶粒生長更加完整，進一步促進了氧化鋁基復相陶瓷的致密化，賦予氧化鋁基陶瓷更加優異的綜合性能。

3 結論

1）當添加的莫來石質量分數為20%時，在1 500 ℃保溫2 h制備的氧化鋁-莫來石-堇青石復相陶瓷具有較高的致密度（氣孔率為0.22%，吸水率為0.06%，體積質量為3.838 g/cm3）、室溫抗折強度（547.06 MPa），較好的抗熱震性能（800 ℃剩余應力為47.09 MPa，且表面無裂痕），以及更少缺陷的顯微結構。

2）在體系中添加一定量莫來石后，復相陶瓷中氧化鋁晶粒生長更加完整，晶粒之間結合更加穩定，提高了氧化鋁基復相陶瓷的致密度，賦予了氧化鋁基復相陶瓷更優異的綜合性能。

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（責任編輯：王軍輝）