片狀模板對電泳沉積制備織構(gòu)化氧化鋁的影響

楊天溪，陳　宏，林　樅

(福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州　350108)

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片狀模板對電泳沉積制備織構(gòu)化氧化鋁的影響

楊天溪，陳宏，林樅

(福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州350108)

本文研究不同片狀氧化鋁模板含量和形態(tài)對電泳沉積方法制備織構(gòu)化氧化鋁陶瓷的影響。結(jié)果表明，不同形態(tài)片狀模板的加入都會使氧化鋁的密度下降，并且模板含量增加越多，密度下降也越大。在加入量超過6%后能制備出具有一定取向的氧化鋁陶瓷，但加入量進(jìn)一步提高時，由于堆積密度的下降，晶粒尺寸也有所下降。不同形態(tài)的片狀模板對織構(gòu)化形成的影響較大，徑厚比越低的模板越有利于致密化的提高，但是徑厚比較大的模板更有利于織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的形成。

電泳沉積； 織構(gòu)化； 氧化鋁； 模板晶粒生長法

1　引　言

織構(gòu)化陶瓷是通過改進(jìn)制備方法促進(jìn)晶粒擇優(yōu)取向，從而使多晶陶瓷具備各向異性，在某些特定方向上的性能能夠與單晶媲美，材料的許多性能，如強(qiáng)度、韌性、磁導(dǎo)率和熱膨脹性都由于擇優(yōu)取向而增強(qiáng)，并且對生產(chǎn)成本的負(fù)擔(dān)不大，單晶昂貴的價格和難以加工成復(fù)雜的形狀等缺陷，都被多晶織構(gòu)陶瓷所彌補(bǔ)了，因此多晶織構(gòu)陶瓷得到人們的廣泛使用目前，研究和采用的是熱加工法、強(qiáng)磁場定向法和模板晶粒生長(TGG)法[1]。模板材料的選擇對模板晶粒生長法是非常重要的，它直接決定了能否制成陶瓷樣品以及產(chǎn)品的最終性能[2]。對于模板的選擇有四個主要的因素是必須考慮的：晶粒的形狀、大小、外延性及穩(wěn)定性。晶粒的形狀一般為針狀、片狀或條狀，在模板和材料混合定向時才會有較高的定向排列度[3,4]。

對模板晶粒生長法而言，生坯中模板的排列至關(guān)重要，因為它決定了最終的織構(gòu)化程度[5]。通常模板通過各種粉末固結(jié)技術(shù)定向排列，包括單軸壓制、注漿成型、流延成型、凝膠注模成型、離心鑄造和擠壓[6]。在這些成型過程中，施加的機(jī)械力迫使片狀模板在粉末壓實過程中定向排列[7]。這些定向排列技術(shù)都對原料和設(shè)備有較高的要求，且無法成型復(fù)雜的形狀和圖案。電泳沉積(EPD)是一種陶瓷膠態(tài)成型的過程，在此過程中，懸浮在穩(wěn)定懸浮液中的顆粒在電場作用下，在某一電極沉積，其簡約的實驗設(shè)置降低了設(shè)備成本[8]。EPD具有較高的沉積速率，且可以靈活的控制沉積的厚度，同時可以成型復(fù)雜形狀和圖案[9]。隨著對EPD研究的不斷深入，一些學(xué)者嘗試將EPD與織構(gòu)化陶瓷的制備結(jié)合起來，使模板顆粒在EPD過程中定向排列。本文采用電泳沉積的方法，通過改變模板含量和模板形態(tài)，系統(tǒng)研究模板含量和形態(tài)對電泳沉積制備織構(gòu)化氧化鋁陶瓷的影響。

2　實　驗

采用德米特(蘇州)電子環(huán)保材料有限公司氧化鋁粉為原料，平均晶粒尺寸為250 nm，按固含量15%配置懸浮液，采用乙醇為溶劑，并加入4wt%的PEG作表面活性劑，加入不同含量的片狀氧化鋁作為模板，所用片狀氧化鋁的徑厚比為12.21，徑長為4.15 μm，厚度為0.34 μm。采用不同形態(tài)的片狀氧化鋁作為模板進(jìn)行添加，模板的形態(tài)如表1所示。徑厚比范圍從1.55至12.21。將原料充分?jǐn)嚢?0 min，轉(zhuǎn)數(shù)為380 r/min，然后進(jìn)行超聲分散30 min，然后進(jìn)行電泳沉積。電泳沉積使用北京六一儀器廠的 DYY-6D 電源，石墨電極間的距離為3cm，沉積過程中不停攪拌懸浮液使片狀氧化鋁在流體中的運動方向始終與電極方向平行，從而便于獲得織構(gòu)化。沉積后的樣品經(jīng)干燥后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650 ℃，保溫時間為4 h。用阿基米德法測試燒結(jié)前后樣品的密度和氣孔率，將樣品斷面進(jìn)行拋光后進(jìn)行SEM測試(Supra55, Zeiss, 德國)。

表1　片狀氧化鋁模板的徑長、厚度及徑厚比

3　結(jié)果與討論

3.1模板含量的影響

圖1　模板含量對(a)沉積產(chǎn)率和(b)等靜壓后的密度及氣孔率的影響Fig.1　Influence of the amount of templates on(a)deposition productivity;(b)density and porosity after pressed

圖1是2#樣品加入不同含量的片狀氧化鋁在乙醇溶劑中配制的氧化鋁懸浮液中沉積產(chǎn)率和沉積密度，表面活性劑為PEG。沉積結(jié)果表示，隨著片狀含量的增加，沉積產(chǎn)率及密度都是逐漸減小，氣孔率逐漸增大。這是由于片狀比粉狀顆粒粒徑大，且為六方薄片狀，非球形顆粒的球形度越小，片狀氧化鋁的加入，沉積層的孔隙率增大，且影響球形顆粒與球形顆粒之間的堆積，沉積時顆粒堆積的緊密性降低，使得產(chǎn)物的密度減小，氣孔率增加。隨著片狀含量的增加，這種影響逐漸增大，因而密度逐漸減小，氣孔率逐漸增加。

圖2是垂直于沉積電極方向斷面的SEM照片，觀測的角度與電極面平行?？梢钥闯?，片狀含量為2%時，氣孔率增大，但并未有可見織構(gòu)出現(xiàn)，片狀含量增加至6%時，出現(xiàn)部分織構(gòu)，繼續(xù)增加至8%時，可以看到非常明顯的與電極平行的氧化鋁板狀晶?？棙?gòu)化的排列。

測量晶粒在平行電極片方向和垂直電極片方向的尺寸，計算晶粒在水平方向和垂直方向尺寸的比值。比值用來表征燒結(jié)后樣品的晶粒沿平行電極方向規(guī)則排列的程度。結(jié)果如圖3所示：隨著加入片狀含量的增加，晶粒的尺寸比值先增加后減小。加入的片狀氧化鋁，在燒結(jié)過程中誘導(dǎo)晶粒的生長，因而片狀加入后，在大尺寸比(>2.0)內(nèi)的晶粒明顯增多，出現(xiàn)織構(gòu)化趨勢。隨著片狀加入量增加到6%，過多的片狀加入導(dǎo)致了孔隙率的增加，片狀的排列受到影響，且誘導(dǎo)晶粒生長的作用降低，因而大尺寸比的晶粒數(shù)反而有所降低。片狀加入量進(jìn)一步增加至8%，孔隙率的增大導(dǎo)致誘導(dǎo)作用進(jìn)一步減弱，因而尺寸的比值降低。

圖2　不同含量片狀氧化鋁沉積樣品燒結(jié)后斷面拋光SEM圖(織構(gòu)化方向為水平方向)(a)0%;(b)2%;(c)4%;(d)6%;(e)8%Fig.2　SEM images of section deposition samples with different content of flake alumina after sintering and polishing

圖3　添加不同片狀含量的燒結(jié)樣品晶粒尺寸比Fig.3　Ratio of horizontal size to vertical size of samples with different content of flaky alumina

3.2模板形態(tài)的影響

由圖4為不同模板形態(tài)沉積的氧化鋁陶瓷的產(chǎn)率及密度關(guān)系。如圖所示，產(chǎn)率和密度隨著片狀徑長的增加，先減小后增大，接著減小，在徑長為4.78 μm時最大；等靜壓后的密度具有同樣的趨勢；氣孔率的趨勢相反，先增大后減小再增大，徑長4.78 μm時最小。

圖4　隨加入片狀的形狀不同，產(chǎn)率、氣孔率、等靜壓密度、燒結(jié)密度的變化Fig.4　Change of productivity, porosity, density after pressed and sintered density with different shapes of flaky alumina

徑長為2.55 μm的片狀氧化鋁，其徑厚比為1.55，片狀顆粒較小且接近球體，因而在沉積時形成的空隙較小，產(chǎn)率較高，密度較大，氣孔率較小。當(dāng)片狀氧化鋁的徑長增大到4.15 μm、4.78 μm、5.55 μm時，在沉積時，片狀氧化鋁在懸浮液中以旋轉(zhuǎn)的方式平行沉積到電極片上，片狀在插入電極片上進(jìn)行沉積時，片狀的徑厚比越小，與電極片間形成的夾角越小，密度越大，氣孔率越小。而4.15 μm、4.78 μm、5.55 μm徑長的片狀氧化鋁對應(yīng)的厚度分別為0.34 μm、0.9 μm、0.65 μm，因而4.78 μm徑長的片狀氧化鋁沉積樣品密度最大，氣孔率最小。可以看出，密度隨徑厚比的增加而減小，氣孔率隨徑厚比的增加而增大。

圖5　不同徑厚比片狀氧化鋁沉積樣品拋光斷面SEM照片(a)1.55;(b)5.31;(c)8.54;(d)12.21Fig.5　SEM images of adding different radius-thickness ratio flaky alumina of section deposition samples after polishing

圖6　加入不同形狀的片狀氧化鋁在水平方向與垂直方向的尺寸比Fig.6　Ratio of horizontal size and vertical size of adding different shapes flaky alumina

測量樣品斷面拋光SEM圖(圖5)的晶粒在平行與垂直電極方向的尺寸比，結(jié)果如圖6，尺寸比受到密度和片狀氧化鋁尺寸的共同作用。由圖可知，加入不同形狀的片狀氧化鋁，尺寸比的變化不一樣，加入徑厚比較小且尺寸較小的1號片狀，燒結(jié)后由于本身的形狀接近球體各向異性不夠明顯，因而燒結(jié)后的尺寸比也變化不明顯。隨著加入片狀氧化鋁的徑厚比的增加，水平與垂直方向的尺寸比也增加，這是由于片狀的各向異性導(dǎo)致，徑厚比為5.31的尺寸比卻大于徑厚比為8.54的，由前文可知，由于加入片狀的徑厚比不同，坯體的密度不同，徑厚比為5.31的片狀加入，坯體密度最好，可良好的誘導(dǎo)晶粒的生長，所以尺寸比較大。且尺寸比的范圍較集中，織構(gòu)化的程度相對較高[10]。徑厚比5.31的尺寸比小于徑厚比 12.21的尺寸比，是因為前者加入的片狀氧化鋁厚度遠(yuǎn)小于后者，受到片狀的作用大于密度的作用，片狀氧化鋁的厚度越小，尺寸比越大。

4　結(jié)　論

本文研究了加入不同含量和不同形狀的片狀氧化鋁對沉積樣品產(chǎn)率、密度、氣孔率和晶粒尺寸的影響，并研究了不同含量和不同形狀的片狀氧化鋁對樣品燒結(jié)后織構(gòu)化程度的影響。結(jié)果表明：

(1)加入的片狀，在粉體堆積時易形成橋架的缺陷，導(dǎo)致生坯密度降低，加入的片狀越多，生坯密度越低。在燒結(jié)時由于片狀的各向異性誘導(dǎo)晶粒生長，燒結(jié)后晶粒的尺寸變大，并出現(xiàn)織構(gòu)趨勢(6%)，當(dāng)片狀含量的增加到一定程度(8%)時，由于孔隙率太大，片狀誘導(dǎo)晶粒生長的作用反而減小，較大尺寸的晶粒數(shù)有所下降，較大水平與垂直尺寸比的晶粒數(shù)也有所下降。

(2)柱體的小顆粒氧化鋁的加入，相對片狀大顆粒氧化鋁而言，形成的空隙較小、較少，因而產(chǎn)率、生坯密度及燒結(jié)后的密度都較好。片狀氧化鋁受懸浮液旋轉(zhuǎn)的剪切力作用平行沉積到電極上，由于片狀厚度越大，架起的角度越小，堆積越緊密，厚度為0.9 μm的片狀密度最大，燒結(jié)后的晶粒尺寸也最大。由于各向異性的程度不一，片狀的誘導(dǎo)作用隨徑厚比的增加而增大，晶粒的生長同時受生坯密度的影響，晶粒的尺寸由于低致密度而降低。

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Influence of Flaky Templates on the Preparation of Textured Alumina by Electrophoretic Deposition

YANGTian-xi,CHENHong,LINCong

(School of Materials Science and Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In this paper, we study the effect of adding different content and form of flaky alumina templates to the textured alumina ceramic prepared by electrophoretic deposition. The results show that the addition of different form flake alumina would reduce the density of alumina, and adding the more template content, the greater the density would decreased. A certain orientation ceramic can be prepared when the amount of flaky alumina more than 6%, but further improve the addition, due to the reduced bulk density, grain size has also dropped. Different form of flaky template has a big effect on the formation of texture, and when the radius-thickness ratio of the templates is lower, the high density the sample will achieve, but it is not good for the formation of texture structures.

electrophoretic deposition;texture;alumina;template grain growth method

國家自然基金青年基金資助項目(51102046)；福建省自然科學(xué)基金資助項目(2013J05067)

楊天溪(1990-)，男，碩士研究生.主要從事功能陶瓷方面的研究.

林樅，副教授.

TQ174

A

1001-1625(2016)03-0856-05