SiC顆粒彌散快速熱壓燒結Al2O3、ZrO2材料的研究

周耀++莫青誼++江夏

摘 要：本文在Al2O3、ZrO2 原料中摻加入10wt%的高純SiC粉，進行快速熱壓燒結，得到完整的致密無孔的制品。其各自的力學性能與相應無壓燒結的制品相比有一定程度的提高。通過SEM分析內部微觀結構發(fā)現(xiàn)，SiC是以顆粒彌散方式分布于制品內部，SiC的加入改善了材料的熱性能，如：熱膨脹系數(shù)、熱導率等，使制品能快速燒結而不開裂。

關鍵詞：Al2O3；ZrO2；SiC；顆粒彌散；熱壓燒結

1 前言

Al2O3、ZrO2是目前得到廣泛應用的工程結構陶瓷材料，這兩種陶瓷材料具有良好的機械力學性能，如：高硬度、高抗折強度，以及耐高溫、耐腐蝕等，可作為耐磨軸、套、閥、密封件等多種用途。由于Al2O3、ZrO2屬離子鍵化合物，在正?？諝鈼l件下高溫較易燒結，所以，制備生產(chǎn)這兩種陶瓷產(chǎn)品的燒結過程大部分是在空氣氣氛中經(jīng)無壓燒結而成。只是在制備透明Al2O3產(chǎn)品時較多使用氫氣氣氛。對于這兩種材料，正常的空氣氣氛無壓燒結就可以得到接近理論密度的產(chǎn)品。如：99 Al2O3的密度可達到3.9 g/cm3左右，3Y- ZrO2制品密度可達到6.0 g/cm3左右。

在有些高端用途，如：工業(yè)刀具、耐磨軸等，為進一步提高材料的密度、硬度等指標，完全消除制品的內部封閉氣孔等缺陷，提高使用壽命，可采用熱壓方式對Al2O3、ZrO2材料進行燒結?？紤]到這兩種材質的熱膨脹系數(shù)較高（8～10×10-6/℃），而熱導率不高（20～40 W/m·K），與熱壓爐內的石墨材質配件和石墨模具有較大差異。因此，在熱壓燒結時，需調整好工藝參數(shù)，延長升降溫時間，延長燒成周期。這樣一方面降低了效率；另一方面因熱壓本身的特點易造成材料內部的應力不均，影響制品的質量。本文嘗試在原料中加入具有高熱導率、高硬度的SiC組分來進行改性，期望能提高產(chǎn)品的性能和加快熱壓燒結過程。

2 實驗內容

2.1 實驗原料

本實驗所采用的原料Al2O3、ZrO2均為國產(chǎn)，SiC為德國進口。其純度、粒度如表1所示。

2.2 實驗工藝

按90wt% Al2O3 +10wt%SiC和90% ZrO2 +10%SiC的配方比例配制原料，加入80%無水乙醇，放入尼龍球磨罐中，球磨介質使用99.9%純度的Φ10mm和Φ5mm Al2O3 球，滾動球磨48 h后出漿干燥，預壓裝入石墨模具中，進行熱壓燒結。最高燒成溫度分別為1650 ℃和1500 ℃，保溫1 h，最高壓力為20 MPa。圖1為熱壓燒結溫度曲線。整個熱壓燒結周期為5h，制備得到的樣品完整無裂。

為了與熱壓燒結作對比，對Al2O3、ZrO2 材料作無壓空氣氣氛燒結試驗。Al2O3噴霧粉和ZrO2噴霧粉均經(jīng)過干壓等靜壓，等靜壓壓力為150 MPa。最高燒成溫度分別為1700 ℃和1500 ℃，保溫為2 h。整個燒成周期為28 h。圖2為無壓燒成曲線。

2.3 試樣性能測試方法

無壓燒結和熱壓燒結完成后，將樣品加工成3 mm×4 mm×40 mm的拋光試條，每一種類分別用5件樣品作抗折強度測試、5件作硬度測試、5件用切口梁法作斷裂韌性測試，取各自的平均值作為表征數(shù)據(jù)。同時，用排水法測試密度，用掃描電子顯微鏡（SEM）測試斷口表面形貌。

3 結果分析與討論

3.1 樣品的力學性能分析

表2為試驗的各種材質在無壓燒結和熱壓燒結下的力學性能參數(shù)，包括吸水率、密度、硬度、抗折強度和斷裂韌性。

實驗表明：對于無壓燒結Al2O3，純度提高，其各性能參數(shù)均有較明顯的提高。摻入SiC組分后，由于SiC的密度明顯比Al2O3 的低，總體密度有明顯下降。但其力學性能，如：硬度、強度、韌性值等均比兩種無壓Al2O3 的性能數(shù)據(jù)高。同樣，在ZrO2 中摻入SiC組分后進行熱壓燒結，密度明顯下降，其力學性能則有較明顯提高。力學性能數(shù)據(jù)的提高主要得益于熱壓燒結工藝以及SiC的摻入。通過熱壓燒結，可以加快材料的致密化速率和致密化程度，即一方面可以縮短燒結時間；另一方面又可以進一步消除內部空隙，達到更完全的致密化。

SiC為強共價鍵化合物，無壓低溫下難以燒結，也難與其它化合物發(fā)生固相反應。在熱壓條件下，通過外加壓力在Al2O3、ZrO2 粒子發(fā)生高溫蠕變時，將SiC粒子包裹，使SiC粒子以顆粒彌散狀態(tài)存在于Al2O3、ZrO2 制品內部，達到致密化。這樣，一方面使材料致密；另一方面又充分發(fā)揮SiC熱膨脹系數(shù)低、熱導率高的特點，在短時間內完成升溫降溫的燒結過程，制品完整無裂。

3.2 樣品的微觀結構分析

圖3～圖7為1#～5#材料的SEM斷口表面形貌。

從圖3～圖5中可以看出，無壓燒結的Al2O3、ZrO2 微觀結構均勻致密，僅僅存在少量微小的內部封閉氣孔。與熱壓燒結相比，無壓燒結Al2O3和ZrO2的晶粒有明顯增大。 從圖6～圖7中可明顯看到，較大的SiC粒子以顆粒彌散的方式分布于材料內部，內部微觀結構非常致密。一方面提高了材料的力學性能；另一方面發(fā)揮出了SiC優(yōu)良的熱學性能，利于快速燒結出完整的制品。

4 結論

（1） 摻加SiC的Al2O3、ZrO2 材料可以快速熱壓燒結得到完整無裂的制品，其力學性能比無壓燒結的材料有一定程度的提高。

（2） 熱壓燒結可以使含SiC的Al2O3、ZrO2 材料燒結致密化，SiC以顆粒彌散的方式存在于制品內部，發(fā)揮出SiC的優(yōu)異熱學性能，短時間內可燒結出完整的制品。