不同晶型Al2O3對高白泥坯體力學性能及顯微結構的影響研究

摘"要：在高白泥坯體中引入α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃顆粒作為增強相強化陶瓷坯體，分析不同晶型鋁化合物添加對陶瓷坯體抗折強度、吸水率、表面粗糙度等的影響。結果表明，在1 310 ℃高溫還原氣氛燒制的條件下，α-Al₂O₃的添加效果明顯強于γ-Al₂O₃的添加效果。當高白泥坯體中引入α-Al₂O₃顆粒總量為15%時，坯體中由大量的剛玉相和莫來石相交織成連續的網絡，其抗折強度均值可以達到122.5 MPa，同比未添加鋁化合物高白泥坯體抗折強度均值增幅達24.2%。本研究對于提高高白泥陶瓷產品的抗折強度和強度穩定性具有重要的理論和實踐意義。

關鍵詞：高白泥；鋁化合物；力學性能；顯微結構

近年來，隨著陶瓷材料在結構和功能領域的廣泛應用，陶瓷坯體的力學性能成為影響其最終產品質量和應用范圍的關鍵因素。高白泥坯體是一類具有較高白度、良好燒結性能和優異物理特性的陶瓷基體材料。然而，傳統高白泥坯體的抗折強度相對較低，普通陶瓷坯體的抗折強度一般在30～80 MPa之間，難以滿足某些高性能陶瓷制品的需求。因此，如何提高高白泥坯體的力學性能成為研究的重點。

有研究表明，鋁的不同晶型化合物（如α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃）作為增強相引入高白泥坯體中，能夠有效改善坯體的力學性能、顯微結構和燒結性能^[1-5]。添加適量的鋁化合物可以顯著提高陶瓷坯體的抗折強度和致密度，這為制備高性能陶瓷提供了新的思路。范社嶺研究了以α-Al₂O₃為主晶相在氧化氣氛下制備的高鋁強化瓷，結果表明剛玉相及莫來石相的多少是改善坯體強度的關鍵，且在既定配方的前提下，工藝參數決定坯體的力學性能和結構性能^[6]。苗立鋒的研究表明，與純氧化鋁粉相比，硬質瓷中氧化鋁表面吸附了K₂O、CaO、MgO和SiO₂，它們抑制了γ-Al₂O₃的相轉變，使硬質瓷中的γ-Al₂O₃轉變為α-Al₂O₃的相轉變溫度從1 200 ℃提高至1 300 ℃^[7]，因此需要高溫煅燒以形成原位刺猬狀莫來石團簇。Liu等研究了Al（OH）₃含量對陶瓷相組成、顯微結構和力學性能的影響，把陶瓷坯體中Al（OH）₃質量分數提高10%，在1 560 ℃燒制時，可以提高陶瓷坯體的力學性能^[8]。這些研究為進一步探索鋁化合物的強化機制提供了理論基礎，但仍缺乏對比不同鋁化合物對陶瓷坯體性能影響的系統性研究。

本研究采用α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃作為添加劑，系統分析了不同晶型鋁化合物對高白泥坯體力學性能及顯微結構的影響。試驗通過對坯體進行不同鋁化合物的添加，采用萬能試驗機測試抗折強度，結合吸水率及顯微結構分析，探討了不同晶型鋁化合物在陶瓷坯體中的增強效果。本文通過試驗數據的對比，找出最優的鋁化合物及其添加量，提升高白泥坯體力學性能，為高性能陶瓷材料的開發提供理論依據和試驗參考。

1"材料與方法

1.1"原料及制備

不同晶型鋁化合物采用佛山市歐勵特新材料科技有限公司產α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃微粉，其主要參數見表1。高白泥選用景德鎮市場常用泥料，其化學組成見表2。

將高白泥與不同鋁化合物按預定配比加水均勻混合，料、球、水的質量比為1∶1∶1，快速球磨機球磨時間為15 min，轉速470 r/min，配制成泥漿，并經過除鐵、陳腐、干燥后造粒制成8×8×50 mm的長形試樣條（圖1），之后進行高溫還原氣氛燒成，具體燒成曲線見圖2。

1.2"測試與表征

利用萬能試驗機（CMT4104，山東萬辰試驗機有限公司）對試樣條進行抗折強度測試，加載速度為5 mm/min，跨距設定為30 mm。試樣規格為8×8×50 mm，每個配方測試6個試樣條以求得平均值。采用阿基米德法測定試樣的吸水率。在測試抗折強度和吸水率后，將試樣條用質量分數為5%的HF酸浸泡腐蝕1 min，隨后放入超聲波清洗機中進行10 min的超聲清洗，最后將試樣置于恒溫干燥箱中干燥備用。腐蝕后的試樣氣孔形貌和表面粗糙度使用超景深顯微鏡（VHX-6000，KEYENCE）進行觀察與分析。試樣的物相組成通過X射線衍射儀（D8 Advance，德國Bruker）進行檢測，同時，通過場發射掃描電鏡（SU-8010，HITACHI）分析試樣的顯微結構及形態，并結合IXRF Model 550i型能譜儀實施EDS分析。

2"結果與討論

2.1"不同晶型鋁化合物添加對坯體抗折強度影響

α-Al₂O₃作為一種更穩定的晶相，通常在陶瓷材料中用以增強機械性能，尤其在高溫條件下，其穩定的晶相結構有助于提升試樣的機械性能，而γ-Al₂O₃則在高溫下可能轉變為α-Al₂O₃^[9]。結合表3及圖3數據來看，不同配比的α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃對高白泥陶瓷坯體的抗折強度有顯著影響，且添加不同含量的α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃試樣的抗折強度表現出一定的規律性。隨著α-Al₂O₃添加量的增加（從0到15%），試樣1#、2#、3#的抗折強度呈現平穩提升后急速升高的趨勢，試樣抗折強度最高達131.3 Mpa，這是因為α-Al₂O₃在適宜比例下能有效地增強材料骨架，提高其整體結構的物理性能。然而，隨著α-Al₂O₃持續添加（15%到20%），坯體抗折強度急速降低，表明在高溫燒結時，過高的α-Al₂O₃添加量導致材料的密度和相結構變化，影響其最終的力學性能。

另一方面，γ-Al₂O₃作為一種轉變相，在高溫燒制過程中逐漸轉變為α相。γ-Al₂O₃添加試樣（5#、6#、7#）顯示出與α-Al₂O₃添加試樣不一樣的趨勢，試樣5#、6#抗折強度低于相應含量的α-Al₂O₃試樣。隨著γ-Al₂O₃添加量的增加（0到15%），試樣1#、5#、6#的抗折強度呈現持續降低的趨勢，抗折強度最低達到64.1 Mpa，但隨著γ-Al₂O₃添加量的升高（15%到20%），坯體抗折強度又略有升高。這表明在1 310 ℃燒制條件下，當γ-Al₂O₃的添加量較低（低于15%）時，其在燒制過程中轉化為α-Al₂O₃的量不足以顯著改變材料的微觀結構，無法有效地提供足夠的結構支持來增強材料整體的抗折強度。此外，由于γ-Al₂O₃到α-Al₂O₃轉變過程中伴隨體積收縮和晶格重組，導致坯體內部出現微裂紋或孔洞，從而削弱了材料的機械強度。當γ-Al₂O₃的添加量超過15%時，其轉化為α-Al₂O₃的絕對量增加，能夠促進更密集和均勻的晶體生長，減少了因不完全轉變導致的內部缺陷，有助于形成更多連續且均勻分布的α-Al₂O₃晶體網絡，從而提高整體材料的抗折強度。

2.2"不同晶型鋁的化合物添加對坯體吸水率的影響

吸水率是表明陶瓷產品燒成后致密程度的特征性參數，是衡量日用陶瓷產品內在質量的重要指標^[10]。吸水率越低意味著產品的致密度越高，抗污染的能力也越強；反之，吸水率越高的產品，其坯體的氣孔率越高，水越容易被陶瓷吸收而產生一定的膨脹，進而導致釉面開裂等情況的出現。采用阿基米德法對試驗試樣進行坯體吸水率測試，其吸水率變化如圖4所示。可以看出，隨著α-Al₂O₃或γ-Al₂O₃含量增加，吸水率普遍呈現下降趨勢。這說明添加不同晶型鋁的化合物確實能夠有效減少材料表面及內部孔隙，使得水分子更難進入材料內部。具體而言，添加α-Al₂O₃后（2#、3#、4#），吸水率普遍較低，其中3#試樣的吸水率最低，顯示出極好的致密性。這是因為，α-Al₂O₃在高溫下有效促進燒結過程，增加陶瓷坯體的致密度。相比之下，添加γ-Al₂O₃后（5#、6#、7#）的吸水率雖然有所降低，但整體上高于α-Al₂O₃添加的試樣。這表明在適宜的燒制溫度條件下，α-Al₂O₃在提升材料致密性方面更為有效。

2.3"不同晶型鋁化合物添加對坯體表面粗糙度的影響

通過測試不同配方下坯體的表面粗糙度，可以評估不同晶型氧化鋁添加對坯體材料的影響，適當的表面粗糙度能增加釉料與坯體之間的粘附力，從而確保釉層的附著性和成品的抗剝落能力，進而改善坯釉中間層的形成，同時，選擇最佳的配方以提高坯體的光潔度和均勻性，從而減少后續工藝的缺陷^[11-12]。通過超景深顯微鏡觀察試樣表面，從表4可以看出，高白泥的表面粗糙度最高，最大值達到91 μm。這表明未添加任何氧化鋁時，材料的表面較粗糙，顆粒度較大，表面平整性較差。α-Al₂O₃在一定程度上能夠抑制坯體表面的粗糙波動，但在含量達到20%后，表面粗糙度有所回升。γ-Al₂O₃的添加對表面粗糙度的影響與α-Al₂O₃類似，添加10%的γ-Al₂O₃表面粗糙度最大值為22 μm，添加15%的γ-Al₂O₃粗糙度最大值為14 μm，但當γ-Al₂O₃的含量達到20%時，粗糙度再次增加到25 μm。總體來看，適量的α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃的添加量能夠降低坯體表面的粗糙度，改善其平整性。然而，當添加量超過一定比例，表面粗糙度會出現回升，表明氧化鋁顆粒的過量聚集會帶來負面影響，且適量的α-Al₂O₃整體效果優于γ-Al₂O₃。

2.4"較優參數下顯微結構分析

莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）是一種在高溫下穩定的陶瓷相，具有高強度和低膨脹率的特性，其針狀或柱狀晶體結構能夠有效提高材料的抗折強度。這種特殊結構在材料內部形成了骨架，有助于分散應力并抑制裂紋擴展。與此同時，剛玉（α-Al₂O₃）因其卓越的硬度與彈性模量，可以增強材料的抗壓強度及耐磨損性能^[13]。當坯體中的晶體（包括剛玉、莫來石、石英等）彌散分布在連續的玻璃相中，進而發揮顆粒增強玻璃相的作用^［14-15］。為進一步揭示添加15%的α-Al₂O₃對高白泥坯體抗折強度性能的改善，本文對其進行了斷面微觀形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）結構分析。

從圖5和圖6可以看出，試樣斷面的主要晶相為顆粒狀剛玉相（PDF 74-1081# ）及針尖狀莫來石相（PDF 74-2419#），同時還伴有石英相（PDF 79-1906#）等其他組分。莫來石呈現出的針狀結構構建了一個連續網絡，對受力時壓力集中區域進行有效分散，從而提升了材料整體韌性。

在外部載荷作用下，該結構能夠有效吸收并轉移能量，以降低裂紋擴展風險。此外，剛玉顆粒均勻地分布于材質內部，有效填充空隙，進一步增強了坯體密實性，并減少了孔隙率。這種互相支撐且合理分布的晶相交錯極大地提升了坯體在受力下表現出的抗裂能力與承載能力，從而全面提高了其抗折強度。

3"結論

1）在1 310 ℃高溫還原燒制前提下，α-Al₂O₃的添加對高白泥坯體抗折強度的提升效果明顯優于γ-Al₂O₃的添加。

2）在1 310 ℃高溫還原燒制前提下，不同晶型鋁化合物的添加，均能改善高白泥坯體的吸水率，其中α-Al₂O₃的添加明顯優于γ-Al₂O₃的添加。

3）在1 310 ℃高溫還原燒制前提下，將處于致密燒結狀態的坯體進行對比，添加不同晶型Al₂O₃的坯體表面粗糙度均優于未添加的高白泥坯體，其中α-Al₂O₃的添加效果較為穩定。

4）結合試驗和測試分析，在1 310 ℃高溫還原燒制前提下，添加15%的α-Al₂O₃對高白泥力學性能等改善效果最佳。

5）添加15%的α-Al₂O₃試樣中，剛玉相與莫來石相彌散分布在連續的玻璃相中，坯體抗折強度達到122.5 Mpa，該參數為高白泥坯體強化的理想值。

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（責任編輯：王軍輝）