氟化物對低溫燒結氧化鎂陶瓷的影響

張文政 劉正 毛萍莉 王趲

（1.沈陽工業(yè)大學材料學院，遼寧沈陽110178；2.沈陽化工大學材料學院，遼寧沈陽110142）

0 引言

MgO陶瓷常以輕燒MgO為原料制備而成，它具有高熔點、低密度、優(yōu)良的抗堿金屬熔體腐蝕性等特點，因此在冶金、環(huán)保、化工、能源等領域應用十分廣泛。但是，由于MgO具有離子鍵性，使之熔點達2850℃，在燒結過程中，產生的液相極少，其燒結主要靠晶體的再結晶來完成，導致MgO的燒結溫度高，這使制造MgO陶瓷不但需要消耗大量的能源，而且還需要消耗大量需要高溫燒成的高級耐火材料(例如爐具及其保溫隔熱材料)和高溫加熱元器件。研究表明：在燒結陶瓷過程中，燒成溫度每降低100℃，單位產品熱耗會降低10%以上；燒成時間每縮短10%，則產量增加10%，熱耗降低4%[1]。所以高溫燒結會使企業(yè)成本居高上升，導致競爭力和發(fā)展后勁不足。特別是，過高的燒成溫度會導致MgO陶瓷主晶相晶粒長得過大而不利于制品性能的改善和提高。

MgO不但熔點很高，而且在其熔點以下蒸氣壓亦很高，容易升華，導致燒結困難。因此，為了降低MgO陶瓷的燒結溫度，許多研究者做了大量工作[2-8]。目前工業(yè)上MgO陶瓷的燒結方法一般是采用專門的設備進行加壓燒結，設備復雜，操作繁瑣，本文中則是采用添加低熔點氟化物的方法進行液相燒結。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

LiF、NaF和MgF2均為市售分析純試劑，MgO：w.t%(MgO)≥96%(質量分數,下同)，325目。

1.2 實驗過程

各試樣經過20MPa的壓力壓制成Φ40mm× 10mm的試樣，經過自然干燥，依據不同的升溫制度，在硅鉬棒電爐中進行燒結，并對所得制品進行測試。

MgO粒徑變化實驗是將MgF2∶MgO=2∶5（質量比）的混合物，按照混合物∶無水乙醇=1∶1（質量比）的比例配成漿體，在球磨機中球磨5h后在100℃下干燥至恒重，最后對燒結所得粉體粒徑進行測試。

1.3 性能測試

采用德國布魯克公司型號為D8Advance的X射線衍射儀對樣品進行XRD分析；

采用日本電子株式會社型號為JSM-6360LV高低真空掃描電子顯微鏡對樣品進行顯微分析；

采用型號為Microtrac S3500的激光粒度分析儀對樣品進行粒徑分析；

圖1 添加N a F的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.1 SEM of caustic calcined MgO ceramics with NaF

圖2 添加L i F的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.2 SEM of caustic calcined MgO ceramics with LiF

圖3 添加Mg F2的輕燒Mg O陶瓷S E M圖譜Fig.3 SEM of caustic calcined MgO ceramics with MgF2

圖4 添加MgF2的電熔MgO/MgF2制品SEM圖譜Fig.4 SEM of fused MgO ceramics with MgF2

按照QB/T1547-92標準對樣品進行線收縮率分析。

2 結果討論

2.1 添加不同助熔劑制品的圖譜

從圖1可以看出，輕燒MgO/NaF制品斷口平而光亮。MgO為體心立方，斷裂面是解理平臺，而輕燒MgO與添加的NaF陽離子半徑相差太大，未能形成置換型固溶體，表現為穿晶脆性斷裂。

從圖2和圖3可以看出，輕燒MgO/LiF和輕燒MgO/MgF2制品斷口有許多單獨形成的裂紋，具有解理斷裂的形貌特征，同時又伴有少量微孔坑覆蓋斷面，有明顯的剪切韌窩和撕裂韌窩，說明輕燒MgO和LiF、MgF2形成的固溶體韌性增加了。由于輕燒MgO燒結過程中線收縮率比較大，兩種制品的空隙都較大。

圖4說明在電熔MgO中添加MgF2不僅能夠增加制品的韌性，還能夠提高制品的致密性。這是由于電熔MgO是氧化鎂在高溫下燒結后的結晶產物，活性更低，體積變化小，而輕燒MgO為無定形結構，活性高，在高溫下的體積穩(wěn)定性也差，因此本文優(yōu)選電熔MgO。

2.2 燒結溫度對制品線收縮率的影響

陶瓷制品在燒結過程中，較低的線收縮率有助于保持制品的尺寸穩(wěn)定性。從圖5可以看出三種制品的線收縮率隨著燒結溫度的升高而變大，但在相同燒結溫度下，純的輕燒MgO制品的線收縮率最大，電熔MgO/MgF2制品的線收縮率要比輕燒MgO/MgF2制品的線收縮率小，且變化趨勢平緩。d點和e點的值說明，燒結的保溫時間延長到1.5h將使輕燒MgO/MgF2制品線收縮率增大，但繼續(xù)延長至2h時，則線收縮率變化不大。

圖5 燒結溫度對氧化鎂線收縮率的影響Fig.5 Effect of sintering temperatures on linear shrinkage of MgO ceramics

圖6 Mg F2/Mg O質量比對Mg O陶瓷線收縮率的影響Fig.6 Effect of MgF2/MgO(mass ratio)on linear shrinkage of MgO ceramics

圖7 燒結溫度對電熔Mg O粒子粒徑的影響Fig.7 Effect of sintering temperatures on grain size of fused MgO

從圖6可以看出，兩種制品的線收縮率隨著MgF2/MgO配比的升高而變大，但在相同配比條件下，輕燒MgO制品的線收縮率更大，這說明使用電熔MgO燒結所得制品的尺寸穩(wěn)定性更好。

2.4 燒結溫度對電熔粒子粒徑的影響

MgF2的熔點為1266℃，是一種良好的助熔劑，將其添加到電熔MgO中，有利于電熔MgO粒子的增大。從圖7可以看出，隨著燒結溫度的升高，電熔MgO粒子的粒徑不斷增大，表現為粒徑分布范圍向大粒徑方向擴展，粒子的合并也造成了大粒徑粒子的數目的增加，由于A樣品燒結溫度接近MgF2的熔點溫度，因此對電熔MgO粒子增長的影響最為明顯。

3 結論

分別添加LiF、NaF和MgF2所得制品的SEM結果說明：只有添加MgF2所得的制品斷裂面存在韌窩，說明該制品是韌性斷裂的；電熔MgO/MgF2制品內部的空隙要比輕燒MgO/MgF2制品更少；線收縮率測試結果說明電熔MgO/MgF2制品的線收縮率最?。徊煌瑴囟认碌牧綔y試結果說明添加MgF2可以促進電熔MgO粒子合并，實現MgO低溫燒結。

1林衡,饒平根,呂明.日用陶瓷低溫快燒技術的發(fā)展現狀.佛山陶瓷,2008,(9):39

2張淑云.高純度高密度氧化鎂燒結體.無機鹽工業(yè),1994,(4):19

3饒東生，林彬蔭，朱伯銓.降低高純氧化鎂燒結溫度的研究.硅酸鹽學報,1989,(1):75-81

4李曉東,柏立飛,趙恒和等.氯離子對氧化鎂納米粉體合成及燒結性能的影響研究.功能材料,2009,(7):1215～1218

5 PETRI N,王元化..氧化鎂燒結過程的研究.國外耐火材料, 1989,14(2):66～69

6 SUGARMAN A C,BLACHERE J R.Control of grain growth in MgO by a fine dispersion of carbon.Journal of The American Ceramic Society-Discussions and Notes,1974,57(9):414

7 SUGARMAN A C,BLACHERE J R.Creep of MgO containing a dispersion of carbon.Journal of the American Ceramic Society,1979,62(7～8):386～389

8 LEEYB,PARKHC,OHKD,etal.Sinteringandmicrostructure development in the system MgO-TiO2.Journal of Materials Science,1998,33:4321～4325