圓柱形微波多模燒結(jié)腔燒結(jié)A l2 O3陶瓷的性能

李 遠(yuǎn),汪建華,熊禮威 ,劉 繁

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074)

圓柱形微波多模燒結(jié)腔燒結(jié)A l2O3陶瓷的性能

李 遠(yuǎn),汪建華,熊禮威 ,劉 繁

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074)

應(yīng)用微波加熱技術(shù)進(jìn)行高純A l2O3陶瓷燒結(jié)是一種理想的選擇.本文使用一種新型的圓柱形微波多模燒結(jié)腔體進(jìn)行了A l2O3陶瓷的燒結(jié)研究,該設(shè)備可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的燒結(jié)溫度,并能實(shí)現(xiàn)坯體的整體燒結(jié).分別對(duì)純A l2O3粉體和A l2O3/M gO混合粉體進(jìn)行了燒結(jié)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,添加M gO作為助燒劑燒結(jié)得到的陶瓷試樣的相對(duì)密度高于純A l2O3粉體燒結(jié)得到的陶瓷試樣,在1 700℃下保溫40 min,其相對(duì)密度可以達(dá)到理論密度的97.8%,維氏硬度達(dá)22.3 HV/GPa.從SEM圖中可觀察到試樣微觀結(jié)構(gòu)良好,晶粒大小均勻,致密化程度高.

微波燒結(jié);多模腔體;A l2O3陶瓷

0 引 言

A l2O3陶瓷是氧化物陶瓷中的典型,目前普通A l2O3陶瓷以其良好的機(jī)械強(qiáng)度作為電子工業(yè)中電路襯底、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材料、刀具已得到了廣泛的應(yīng)用,而且作為耐高溫、抗腐蝕、耐磨損的機(jī)械零部件材料取代金屬和合金也已取得顯著的效果[1].隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)上對(duì)A l2O3陶瓷性能的要求不斷提高,這就需要制備出具有性能更佳的A l2O3陶瓷.研究表明,A l2O3陶瓷的性能與其內(nèi)部A l2O3的純度以及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān),如何制備出純度更高、結(jié)構(gòu)更為致密的A l2O3陶瓷,是目前陶瓷研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一[2].由于高純A l2O3陶瓷燒結(jié)溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通A l2O3陶瓷,使用普通方法進(jìn)行燒結(jié)需要較長(zhǎng)時(shí)間,其制備成本在一定程度上限制了其在工業(yè)方面的應(yīng)用.

微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展,使得應(yīng)用微波加熱技術(shù)來(lái)進(jìn)行高純A l2O3陶瓷燒結(jié)是一種理想的選擇.在微波加熱過(guò)程中,材料的整體加熱和能量轉(zhuǎn)換的效率都有其突出的優(yōu)勢(shì),因此,使用微波燒結(jié)可實(shí)現(xiàn)材料致密化,易得到均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu),同時(shí)微波燒結(jié)還可以降低燒結(jié)溫度,縮短燒結(jié)時(shí)間,改善產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)和提高性能,并且微波燒結(jié)易于控制、安全、無(wú)污染[3].與其他陶瓷材料的微波燒結(jié)相比,使用微波加熱燒結(jié)A l2O3陶瓷還有其獨(dú)特的特點(diǎn):A l2O3陶瓷屬于微波吸收型材料,在室溫條件下對(duì)微波全透明,幾乎不吸收微波能量,在達(dá)到臨界溫度后,它們的耗損正切值(耗損因子與介電常數(shù)之比)變得很大,耗損正切值表示材料與微波的耦合能力,耗損正切值越大,材料與微波的耦合能力越強(qiáng)[4].Janny.M.A等測(cè)定了高純A l2O3陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的活化能 Ea,發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)中Ea僅為170 kJ/mol,而在常規(guī)電阻加熱燒結(jié)中Ea=575 kJ/mol[5],遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微波燒結(jié)的活化能,這就縮短了微波燒結(jié)的時(shí)間,降低了燒結(jié)溫度,為高質(zhì)量A l2O3陶瓷的快速燒結(jié)提供了基礎(chǔ).

本文在分析上述優(yōu)勢(shì)背景的基礎(chǔ)上,使用一種新型的圓柱形微波多模燒結(jié)腔體分別對(duì)純A l2O3粉體和A l2O3/M gO混合粉體進(jìn)行了燒結(jié)實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)兩種試樣材料的燒結(jié)工藝進(jìn)行對(duì)比研究,找出在較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時(shí)間內(nèi)獲得純度和微觀結(jié)構(gòu)良好的高質(zhì)量A l2O3陶瓷的方法.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用原料為市售的純Al2O3粉,原始晶粒平均尺寸為4μm.在成型之前,使用研缽對(duì)Al2O3粉研磨20 min后過(guò)0.15 mm(100目篩),其目的是盡量分散研磨后得到的粉體,防止其產(chǎn)生較大的團(tuán)聚體.MgO為市售分析純的納米級(jí)粉體,在成型前直接與研磨好的A l2O3粉充分混合,其中M gO粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%.使用天津市思創(chuàng)精實(shí)科技發(fā)展有限公司FY-24-A型臺(tái)式壓片機(jī)在6 MPa下冷壓成型,樣品直徑為12 mm,厚度3 mm.

1.2 微波燒結(jié)裝置及原理

微波燒結(jié)試驗(yàn)在新型的圓柱形微波多模燒結(jié)系統(tǒng)中進(jìn)行,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.微波源系統(tǒng)由主頻2.45 GHz的微波連續(xù)功率源和磁控管構(gòu)成,微波傳輸系統(tǒng)采用環(huán)形器水負(fù)載、BJ26標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo),微波燒結(jié)腔是微波燒結(jié)系統(tǒng)的核心部分,采用圓柱形多模燒結(jié)腔,如圖2所示,虛線(xiàn)所繪制的部分是石英玻璃管,試樣放置在燒結(jié)腔的中心位置,此處為電磁場(chǎng)分布集中區(qū)域,能夠?qū)崿F(xiàn)微波能的最大化利用.檢測(cè)控制系統(tǒng)包括測(cè)溫溫度,測(cè)量微波反射功率以及氣體的導(dǎo)入導(dǎo)出等,該裝置的檢測(cè)系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,可以精確地獲得燒結(jié)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).結(jié)工藝通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行確定,最終工藝參數(shù)為:燒結(jié)溫度1 700℃,保溫時(shí)間40 min,升溫速率為50～60℃/min,在空氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié),保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫.燒結(jié)過(guò)程中的燒結(jié)溫度通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量.在整個(gè)微波燒結(jié)過(guò)程中,每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù),包括燒結(jié)溫度、微波功率、狀態(tài)等.

圖1 微波燒結(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 M icrowave sintering device structure

圖2 新型圓柱形多模微波燒結(jié)腔Fig.2 A new type of multi-mode cylindrical microwave sintering resonant cavity

圖3 A l2 O3陶瓷樣品制備工藝流程Fig.3 The technology p rocess of A l2 O3 ceramic samp le

1.4 性能測(cè)試

使用日本島津公司的X衍射儀XD-5A上對(duì)A l2O3粉末和微波燒結(jié)樣品進(jìn)行相組成分析.采用阿基米德排水法測(cè)試微波燒結(jié)樣品的相對(duì)密度.采用DHV-1000型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行硬度測(cè)定.A l2O3微波燒結(jié)樣品斷口形貌特征使用日本JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其進(jìn)行觀察.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1是A l2O3陶瓷的燒結(jié)工藝參數(shù).在A l2O3粉末中添加的M gO粉末起到助燒劑的作用[4],此處主要是研究M gO粉末的加入對(duì)于燒結(jié)得到的陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響,以找出更佳的燒結(jié)工藝.燒結(jié)過(guò)程中升溫時(shí)間為30 min,初始功率為200 W,平均每5 min升100 W的功率,在800 W可達(dá)1 700℃的燒結(jié)溫度,在1 700℃保溫40 m in后可得到燒成的試樣.本設(shè)備升溫速度快,可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的燒結(jié)溫度以滿(mǎn)足陶瓷燒結(jié)的條件.與常規(guī)燒結(jié)相比較,大大縮短了陶瓷樣品燒成的時(shí)間,晶粒不易長(zhǎng)大,容易得到顯微結(jié)構(gòu)和性能良好的陶瓷材料.兩組樣品在相同的燒結(jié)工藝中進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn),對(duì)最終得到的燒結(jié)試樣顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行對(duì)比分析.

表1 A l2 O3陶瓷的燒結(jié)工藝Table 1 The sintering technology of Al2 O3 ceramic

圖4是高純A l2O3和添加M gO后不同放大倍數(shù)的SEM圖片,圖(a)(c)和(e)為高純 A l2O3陶瓷材料分別放大200,1 000和5 000倍的 SEM圖片.圖(b)(d)和(f)是添加了質(zhì)量比為 0.1%M gO的A l2O3陶瓷材料分別放大200,1 000和5 000倍的 SEM圖片.從圖中可以看到,(a)圖和(b)圖相比較并無(wú)明顯的區(qū)別,(a)要比(b)圖平整一些.這與陶瓷斷面的形狀有關(guān);從圖(c)(d)中便可觀察到晶體的大致形貌,高純的A l2O3樣品燒結(jié)后無(wú)明顯晶形,而添加了M gO的樣品燒結(jié)過(guò)后晶粒形狀相對(duì)明顯,晶粒分布均勻且平整度較高,圖(c)表面有少量雜質(zhì),樣品在測(cè)試之前經(jīng)過(guò)超聲清洗,雜質(zhì)的出現(xiàn)應(yīng)該是在SEM檢測(cè)前鍍金膜的過(guò)程中引入的;從圖(e)和(f)中可以清楚觀察到晶粒的形狀,高純的A l2O3樣品燒結(jié)后晶粒平均尺寸為5μm,添加了M gO的樣品尺寸平均尺寸為4 μm,要小于前者.這是由于M gO可以抑制晶粒生長(zhǎng),細(xì)化了A l2O3晶粒,根據(jù)J.G.J.peele等的研究,在固溶極限以下,添加M gO主要是由于提高了點(diǎn)缺陷濃度,加速A l3+的晶格擴(kuò)散,而當(dāng)M gO的添加量增加,超過(guò)固溶極限以上時(shí),則第二相在晶界的釘扎效應(yīng)會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大[6].在圖(e)中還可觀察到少量孔洞,晶粒形狀大小不一.A l2O3陶瓷燒結(jié)過(guò)程中,顆粒之間只有點(diǎn)接觸,在表面能減少的推動(dòng)力下,細(xì)小的顆粒之間開(kāi)始逐漸形成晶界,并不斷擴(kuò)大晶界的面積,使坯體變得致密化,添加劑的加入會(huì)直接影響晶粒形狀[7].圖(f)也存在個(gè)別晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象,這可能是由于晶粒生長(zhǎng)對(duì)溫度的敏感性大于M gO對(duì)晶粒長(zhǎng)大的抑制作用[8].但晶粒與晶粒之間接觸十分緊密,縫隙寬度明顯小于圖(e),氣孔和裂紋都較少,這就直接影響了兩個(gè)樣品的致密化程度和硬度.

圖4 高純A l2 O3和添加MgO后SEM不同放大倍數(shù)的SEM圖片F(xiàn)ig.4 Different amp lified times in SEM of high purity A l2 O3 and the samp les add M gO as sintering agent

為了驗(yàn)證上述分析,對(duì)燒結(jié)得到的陶瓷試樣進(jìn)行相對(duì)密度和維氏硬度的測(cè)定.未添加M gO燒結(jié)得到的A l2O3陶瓷相對(duì)密度為96.7%,維氏硬度達(dá)18.9 HV/GPa.添加M gO后的陶瓷試樣的相對(duì)密度為97.8%,維氏硬度達(dá)22.3 HV/GPa.由測(cè)試結(jié)果可知后者的致密化程度和硬度都要高于前者,與SEM圖分析結(jié)果一致.

對(duì)上述兩種樣品進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射分析.通過(guò)對(duì)兩種樣品X射線(xiàn)譜線(xiàn)的比較發(fā)現(xiàn),其X射線(xiàn)譜線(xiàn)區(qū)別不大.圖5是添加M gO后燒結(jié)得到的A l2O3陶瓷的 X射線(xiàn)衍射圖譜,根據(jù)圖譜中特征峰的分布可判斷出主晶相為剛玉,即α-A l2O3.由圖中譜線(xiàn)還可以發(fā)現(xiàn),在該譜線(xiàn)中沒(méi)有出現(xiàn)與M gO對(duì)應(yīng)的任何特征峰,這是由于M gO具有很強(qiáng)的高溫?fù)]發(fā)性,在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)逐漸蒸發(fā)掉.

圖5 A l2 O3陶瓷的X射線(xiàn)衍射圖譜Fig.5 X-RAY diffraction of Al2O3 ceramic

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)使用新型的圓柱形微波多模燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行了A l2O3陶瓷的燒結(jié),結(jié)果表明,在該裝置上可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的燒結(jié)溫度,有利于A l2O3陶瓷的快速燒結(jié).此外,在 1 700 ℃保溫40 m in燒結(jié)后得到的A l2O3陶瓷相對(duì)密度可達(dá)到理論密度的96.7%,維氏硬度達(dá)18.9 HV/GPa;在A l2O3粉中添加質(zhì)量比0.1%的M gO粉,可以在不影響陶瓷純度的情況下提高燒結(jié)得到的A l2O3陶瓷的致密度,其相對(duì)密度可達(dá)到理論密度的97.8%,維氏硬度達(dá)22.3 HV/GPa.

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M icrowave sintering of Al2O3ceram ic properties research in multi-mode cylindricalm icrowave sintering resonant cavity

L IYuan,WANG Jiang-hua,XIONG Li-wei,L IU Fan
(Key Labo ratory of Plasma Chemistry&Advanced Materials,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China)

M icrowave sintering is an ideal method to fabricate high p roperty A l2O3ceramic.In this work,a new type of multi-mode cylindrical microwave sintering resonant cavity,w hich can obtain higher sinter temperature in a short time and heat the w hole samp le,was used to sinter A l2O3ceramic.Pure A l2O3pow der and A l2O3/M gO mixed pow der w ere used respectively.Results showed that addition of M gO pow der was benefit for the increase of relative density.While insulation the samp le under 1 700℃fo r 40 min,the relative density can achieve 97.8%of the theo ry density,the Vickers hardness was 22.3 HV/GPa.It also observed that the crystal structure of microscopic particles in a large,uniform and high degree of density.

microwave sintering;multi-mode cylindrical microwave sintering resonant cavity;A l2O3ceramic

本文編輯:龔曉寧

TQ174.6

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2011.04.015

1674-2869(2011)04-0058-04

2010-11-08

湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2004419)資助

李 遠(yuǎn)(1986-),女,廣西南寧人,碩士研究生.研究方向:微波燒結(jié)制備陶瓷及其應(yīng)用研究.

指導(dǎo)老師:汪建華,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師.研究方向:低溫等離子體與新材料技術(shù).＊通訊聯(lián)系人