氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、高溫絕緣性能好、耐腐蝕等特性,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子及化學(xué)工程等領(lǐng)域 。

然而,氧化鋁的高熔點(diǎn)也導(dǎo)致其燒結(jié)溫度較高。因此,添加劑經(jīng)常用于降低氧化鋁陶瓷 燒結(jié)溫度,并且氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度與其純度成正比。

氧化鋁陶瓷燒結(jié)主要受兩個(gè)方面因素影響:

①氧化鋁晶體原子半徑小,離子鍵強(qiáng)大,導(dǎo)致低擴(kuò)散困難, 燒結(jié)溫度較高;

②燒結(jié)過程中后期,對晶粒生長有很大影響。此時(shí)晶?？赡墚惓ＩL,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻, 甚至出現(xiàn)大的內(nèi)部封閉氣孔,降低了晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度,導(dǎo)致材料的性能下降。

目前有 3 種主要方法可以降低氧化物的燒結(jié)溫度鋁:

①減小氧化鋁粉末的粒度;

②采用其他先進(jìn)燒結(jié)技術(shù);

③加入燒結(jié)助劑。

燒結(jié)助劑由于操作簡單、成本低、效率高,成為降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的最佳技術(shù)之一。通過改性摻雜工藝,還可顯著提高氧化鋁陶瓷的電工性能。

燒結(jié)助劑主要通過與氧化鋁基體形成固溶體。增加晶格畸變,提高擴(kuò)散速率,降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度。

這類添加劑常見的有 MnO₂ 、TiO₂ 、Fe₂O₃ 等, 它們具有與氧化鋁相似的晶格常數(shù),并且可以與氧化鋁形成不同類型的固溶體。例如,Fe₂O₃ 和 Cr₂O₃ 可以與氧化鋁形成無限固溶體,MnO₂ 和 TiO₂ 可以與氧化鋁形成有限固溶體,而且這類添加劑大多含有變價(jià)元素,變價(jià)效應(yīng)增強(qiáng)了晶格畸變,燒結(jié)過程中質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散或界面移動,促進(jìn)了晶格活化,改善了基體燒結(jié)性能。

此外,添加劑本身或添加劑與氧化鋁基體之間在高溫下形成液相,通過溶解 - 沉淀機(jī)制促進(jìn)燒結(jié),液相的產(chǎn)生,是降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的主要因素。這類添加劑以堿土金屬氧化物 CaO、MgO 等為主,晶體多為立方堆積結(jié)構(gòu)。因其與基體晶體結(jié)構(gòu)不同,很難溶入氧化鋁晶格中,只能以雜質(zhì)形式聚集在晶界處。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到添加劑熔點(diǎn)或共溶溫度時(shí),開始出現(xiàn)液相,促進(jìn)了燒結(jié)體中質(zhì)點(diǎn)的遷移、擴(kuò)散,改善了氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能。在基體中加入一種或多種這類添加劑,能夠形成二元、三元或者更復(fù)雜的低共熔物,獲得穩(wěn)定的液相。

本文擬采用固相法及水熱法,制備具有較低熔點(diǎn)的 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃ ,并將其按1∶1 比例進(jìn)行復(fù)合, 作為氧化鋁陶瓷的燒結(jié)助劑,研究其對氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能及強(qiáng)度的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 固相法制備 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃

按摩爾比 1∶1∶2 準(zhǔn)確稱取化學(xué)純碳酸鈣、碳酸鎂及 SiO₂ 試劑,并將其置于瑪瑙罐中,加蒸餾水至球磨罐容積 80% ,在行星式球磨機(jī)中研磨 2 h。球磨結(jié)束后,將樣品倒入燒杯中,于干燥箱內(nèi) 120℃ 干燥,干燥后的樣品于箱式電阻爐中 850℃ 燒結(jié) 1.5 h,獲得 CaMgSi₂O₆樣品。

按摩爾比 1∶1 準(zhǔn)確稱取化學(xué)純 CaCO₃ 和 TiO₂ ,將 其置于球磨罐中,采用濕法球磨,加蒸餾水至球磨罐容積的80% ,球磨時(shí)間為2 h。球磨結(jié)束后,將樣品倒入燒杯中,于干燥箱內(nèi) 120℃ 進(jìn)行干燥。干燥后的樣品在箱式電阻爐中 850℃ 燒結(jié) 1.5 h,獲得 CaTiO₃樣品。

1.2水熱法制備 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃

按摩爾比 1∶1∶2 準(zhǔn)確稱取分析純氯化鎂、氯化鈣、正硅酸乙酯等試劑,加入適當(dāng)過量的尿素和去離子水,將其置于燒杯中磁力攪拌 0.5 h 后裝入反應(yīng)釜中,反應(yīng)物水溶液體積占反應(yīng)釜容積的 80% ,旋緊反應(yīng)釜蓋后,使其在 160℃反應(yīng) 12 h。反應(yīng)完成后,取出樣品進(jìn)行洗滌、干燥,獲得 CaMgSi₂O₆樣品。

按摩爾比 1∶1 準(zhǔn)確稱取分析純試劑氯化鈣和鈦酸四丁酯,加入適當(dāng)過量的尿素和去離子水,將其置于燒杯中磁力攪拌 0. 5 h 后裝入反應(yīng)釜中,反應(yīng)溫度及時(shí)間與水熱法制備 CaMgSi₂O₆樣品一致。反應(yīng)結(jié)束經(jīng)洗滌、干燥后得到 CaTiO₃ 樣品。

1.3低溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷材料的制備

將固相法制備的 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃ 以 1∶1 比例進(jìn)行混合,本文稱為助劑 a;將液相法制備的 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃ 以 1∶1 比例進(jìn)行混合稱為助劑 b。以 Al₂O₃ 質(zhì)量為基準(zhǔn),分別加入 8% 、10% 、12% 及 14% 的助劑 a 或助劑 b,將成型后的粉體在 1350℃ 燒結(jié) 6 h 后,得到 Al₂O₃ 陶瓷。

1.4 材料結(jié)構(gòu)與性能測試

燒結(jié)后的 Al₂O₃ 陶瓷通過掃描電子顯微鏡 (SEM,日本日立公司 S - 3400N)對其斷面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,通過 X 射線衍射(XRD,德國 Bruker 公司 D8 advance)對其相組成進(jìn)行研究,采用數(shù)顯維氏硬 度計(jì)(萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司 HVS - 50)測定材 料的硬度,采用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)(長春實(shí)驗(yàn)機(jī)儀器 有限公司 WE - 100)測定材料抗彎強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料物相組成分析

分別由固相法和水熱法制備的 CaMgSi₂O₆和 CaTiO₃ 樣品的 XRD 圖譜如圖 1 和圖 2 所示。

從圖 1 可看出,固相法制備的樣品,除目標(biāo)產(chǎn)物 CaMgSi₂O₆ 外,還含有部分未參與反應(yīng)的殘余 SiO₂ 及 CaCO₃ 和 MgCO₃ 分解產(chǎn)物 CaO 和 MgO,此外還有部 分中間產(chǎn)物 Mg₂SiO₄ 。圖譜中各譜帶峰形高而尖銳,半高寬較小,表明產(chǎn)物中各組成物質(zhì)結(jié)晶狀況良好, 晶粒較大。液相法產(chǎn)物圖譜與固相法相比有較大差別,液相法圖譜表明,產(chǎn)物中除包含目標(biāo)產(chǎn)物 CaMgSi₂O₆外,還有部分未殘余反應(yīng)的 SiO₂ 及中間產(chǎn)物 Mg₂SiO₄ ,但殘余 MgO 及 CaO 在圖譜中基本檢測不到。此外,液相法制備產(chǎn)物 XRD 圖譜中,譜帶峰形出現(xiàn)一定程度寬化,半高寬較大,晶粒較小。

從圖 2 可以看出,固相法制備產(chǎn)物中除目標(biāo)產(chǎn)物 CaTiO₃ 外,還有一定量的 CaO 及 TiO₂ 、Ti₃O₅ 、Ti₇O₁₃等鈦的氧化物。圖譜中各衍射峰峰形較窄,半高寬較小,表明產(chǎn)物中各組成化合物晶體發(fā)育較好,結(jié)晶度 較高,晶粒較大。而液相法制備產(chǎn)物中,除包含 CaTiO₃ 外,同樣也含有一定量鈦的氧化物。但種類較固相法少,而且產(chǎn)物中 Ti₇O₁₃ 衍射峰的衍射強(qiáng)度與固相法相比存在顯著差異,表明制備方法對產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)具有較大的影響。

2.2 材料微觀結(jié)構(gòu)分析

樣品在 1350℃ 燒結(jié) 6 h 后,斷面形貌如圖 3 所 示。從圖中可以看出,助劑種類及用量對樣品晶粒大小影響不顯著,但助劑種類對樣品致密度具有明顯影響。在助劑用量相同的條件下,使用助劑 b 的樣品, 致密度明顯高于使用助劑 a 樣品。這種差異的產(chǎn)生原因主要在于水熱法制備的助劑屬于納米級顆粒,表面能較高,高溫時(shí)更容易形成液相。此外,納米顆粒 比表面積大,與 Al₂O₃ 顆粒間的接觸面積也較大,加大了燒結(jié)過程中物質(zhì)遷移的效率與速率,從而顯著推動燒結(jié)過程的進(jìn)行。而固相法制備的助劑屬于微米 級顆粒,較水熱法制備的助劑顆粒大,顆粒間的接觸面相對較小,在相同溫度下與納米顆粒助劑相比,形成液相較為困難。從圖中也可看出,不同的助劑對樣品致密度的影響不同,助劑 a 樣品致密度隨助劑用量的增大,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。添加量為 10% 和 12% 時(shí),致密度較高,添加量增加到 14% 時(shí),其致密度降低,助劑 b 樣品密度度表現(xiàn)出隨助劑用量的增加而增大的趨勢,而且從使用助劑 b 的試樣中,明顯能看到有液相生成的痕跡,液相將 Al₂O₃ 顆粒粘結(jié)在一起,提高了樣品致密度。

2.3 材料力學(xué)性能分析

1350℃燒結(jié) 6 h 后,得到的氧化鋁陶瓷的硬度隨添加劑使用量的變化關(guān)系如圖 4 所示。從圖 4 中可以看出,使用助劑 b 的試樣比助劑 a 的試樣硬度高, 說明添加劑 b 相對于添加劑 a 在提升氧化鋁陶瓷硬度方面更有優(yōu)勢。對于同種燒結(jié)助劑,隨助劑使用量的增加,氧化鋁陶瓷的硬度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)使用量為 10% 時(shí),硬度最小,助劑 a 樣品為 403.1 MPa,助劑 b 樣品為 575.2 MPa。

1350℃燒結(jié) 6 h 后,氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度隨助劑用量的變化如圖 5 所示。從圖中可看出,使用助劑 b 的試樣抗彎強(qiáng)度普遍高于使用助劑 a 的樣品,樣品抗彎強(qiáng)度可以與樣品斷面結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相對應(yīng),助劑 b 樣品致密度普遍高于助劑 a 樣品。燒結(jié)過程中液相的出現(xiàn)促進(jìn)了燒結(jié)過程的進(jìn)行,增強(qiáng)了樣品中物質(zhì)的遷移與擴(kuò)散,從而增強(qiáng)了樣品顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度。對于使用同種助劑的樣品,抗彎強(qiáng)度隨助劑使用量的增加,氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)使用量為 12% 時(shí),樣品抗彎強(qiáng)度最小,助劑 a 樣品為 75.6 MPa,助劑 b 樣品為 144.8 MPa。

3 結(jié)論

通過固相法及水熱法制備的燒結(jié)助劑,對 Al₂O₃陶瓷燒結(jié)性能及硬度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可得到如下結(jié)論:

(1)在相同的燒結(jié)條件下,使用助劑 a 的樣品致 密度隨助劑使用量的增加,呈先增加后減小的趨勢, 當(dāng)使用量增加到 14% 時(shí),樣品致密度降低。而使用助劑 b 的樣品致密度,隨助劑用量的增加,呈現(xiàn)出增大趨勢。

(2)在相同的燒結(jié)條件下,試樣的硬度和抗彎強(qiáng)度隨助劑用量的增加,都表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。當(dāng)助劑用量為 10% 時(shí),樣品硬度最小,當(dāng)助劑用量為 12% 時(shí)樣品抗彎強(qiáng)度最小。

以上就是諾一精密陶瓷關(guān)于“氧化鋁陶瓷低溫?zé)Y(jié)研究”的分享，部分內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，僅供參考。

【工業(yè)陶瓷件加工定制廠家】認(rèn)準(zhǔn)諾一精密陶瓷，可提供氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、陶瓷計(jì)量泵、陶瓷柱塞泵、陶瓷吸盤、陶瓷結(jié)構(gòu)件、工業(yè)陶瓷件、半導(dǎo)體陶瓷備件、半導(dǎo)體陶瓷材料等精密陶瓷研發(fā)生產(chǎn)加工定制，可按需加工各類精密陶瓷板，棒，閥，管，環(huán)，塊，片，針，軸，螺桿，噴嘴，托盤，吸盤，柱塞，微孔陶瓷等不同形狀、工藝的精密陶瓷制品，歡迎您的咨詢。