AlN粒徑的大小對AlN—ZrO2系復相材料的燒結(jié)性能的影響

馮彬+余志永+費冬妹+惠雪松

摘 要：本文以AlN顆粒和Ca-PSZ粉為原料制備出AlN-ZrO2系復相材料，通過顯氣孔率、體積密度、燒成線變化率和常溫抗折強度的測定以及XRD的分析，探討粒徑的大小對AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料燒結(jié)性能的影響。

1 復相材料的制備

1.1 AlN顆粒的制備

采用AlN粉、燒結(jié)助劑YLi2O（Y2O3-Li2O）和CaO粉進行配料。配比為AlN：YLi2O：CaO=94.5：4：1.5。將配好的粉料在無水乙醇中混合12h，80℃烘干后過200目篩，以松香乙醇溶液為粘接劑將混合粉制成泥料，采用200MPa壓力單軸液壓并保壓30s成型。再將其置入80℃的烘箱烘干24h，破碎成顆粒并篩分制備出0.5mm、1mm、1.5mm顆粒料，在N2氣氛下經(jīng) 1600℃×4h燒成，備用。

1.2坯料制備

將AlN顆粒料、Ca-PSZ細粉按表1準確稱量、經(jīng)干混合后，在不斷攪拌狀態(tài)下逐步加入質(zhì)量濃度8%的松香乙醇溶液結(jié)合劑6%（重量百分比，外加），繼續(xù)攪拌混合10分鐘后置于密閉塑料袋中困料，經(jīng)2～3小時困料后獲得壓力成型所需的的坯料。

表1試樣編號及配料比例

Table 1 Sample Numbers and batching scale

1.3坯體成型

用天平稱取約20g左右的混合料，放入尺寸為10mm×10mm×50mm模具中，使用YE-30型液壓式壓力試驗機成型進行單軸液壓成型，成型壓力為150MPa，保壓時間為30s。根據(jù)試驗方案需要，每個配方需要成型5塊。

1.4坯體的干燥

將成型后坯體置于80℃的烘箱內(nèi)干燥24小時，獲得供燒成的干燥坯體。

1.5坯體的燒成

將干燥后的坯體置入氣氛管式爐中，用真空泵抽出管中空氣的同時通入氮氣，以5℃/min的速度升溫至1600℃，保溫4h。燒成完畢后進行自然冷卻，獲得AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料。

2 復相材料的物相組成和燒結(jié)性能

2.1復相材料的物相組成分析

實驗對燒成后AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料試樣進行了XRD分析，以試樣K1為例，其XRD分析結(jié)果如圖1所示。

圖1式樣K1的XRD分析結(jié)果

Fig.1XRD analysis result of sample K1

由圖1可以看出，采用AlN顆粒與Ca-PSZ粉混合制備AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料的XRD分析。其結(jié)果表明，采用無包裹層的AlN顆粒作為原料，在N2氣氛下經(jīng)常壓高溫燒結(jié)所制備的AlN-ZrO2系復相材料由（c+m）-ZrO2、AlN、CaAl12O19和Al7O3N5等物相組成。這說明，在試樣的燒成過程中存在Ca-PSZ與AlN顆粒表面的局部反應(yīng)，表層AlN被Ca-PSZ氧化的部分產(chǎn)物是Al7O3N5、部分產(chǎn)物是Al2O3；由于Al2O3的生成，導致了Ca-PSZ中的CaO脫溶，并與之反應(yīng)形成了CaAl12O19相。這樣就使得材料中AlN的含量偏低，對于AlN的保留十分不利。

2.2復相材料的燒結(jié)性能

AlN-ZrO2系復相材料燒結(jié)性能主要從試樣的燒成線收縮率、氣孔率、體積密度和抗折強度四方面來探討研究。

（a）線收縮率 （b）氣孔率

（c）體積密度 （d）抗折強度

圖2顆粒粒徑對AlN-ZrO2復相材料燒結(jié)性能的影響

Fig.2 Effect of particle size on sintering performance of AlN-ZrO2 composites

從圖2中可以看出顆粒的引入增大了AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料的氣孔率，同時減小了其線收縮率、抗折強度和體積密度。而且，隨著顆粒粒徑的增大，試樣的線收縮率、抗折強度和體積密度越來越小，而氣孔率卻來越大。

綜合分析認為， AlN顆粒粒徑對AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料試樣的燒結(jié)性能的影響規(guī)律，是由多種原因?qū)е碌木C合結(jié)果。其中，由于AlN為共價鍵化合物、鍵強大、離子擴散困難，AlN的引入勢必降低Ca-PSZ基體的燒結(jié)活性，而且由于AlN顆粒和Ca-PSZ基體的熱膨脹系數(shù)存在明顯的差異，極易在試樣燒成過程中于AlN顆粒的邊緣區(qū)域形成裂紋，而顆粒粒徑越大越容易造成顆粒邊緣區(qū)域形成了顯疏松結(jié)構(gòu)的裂紋帶，從而降低AlN-ZrO2系（富含AlN）復相材料的燒結(jié)性能。

3 總結(jié)

AlN-ZrO2系復相材料燒成過程中AlN顆粒與Ca-PSZ 基體界面處形成了清晰可見的過渡層結(jié)構(gòu)，并且沿著AlN顆粒邊緣區(qū)域與過渡層形成了呈明顯疏松結(jié)構(gòu)的裂紋帶，裂紋帶的形成降低了AlN-ZrO2系復相材料的燒結(jié)性能，并且粒徑越大影響越明顯。