礦化劑對(duì)莫來(lái)石陶瓷影響的研究

方仁德，楊華亮，廖有為，林飛

（佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山　528031）

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礦化劑對(duì)莫來(lái)石陶瓷影響的研究

方仁德，楊華亮，廖有為，林飛

（佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山528031）

本文以粘土、氧化鋁粉及硅酸鋯等原料為基礎(chǔ)配方，外加一定量的礦化劑設(shè)計(jì)四組配方，并將其分別在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃下燒制，檢測(cè)其燒成情況。在1575℃下燒結(jié)，試樣的吸水率及孔隙率較高，體積密度不低，因而選用1575℃為參考燒成溫度。在該溫度下，隨著配方中的礦化劑含量的增大，試樣中的第三相也逐漸升高，第三相的含量為礦化劑含量的兩倍；試樣的SEM照片顯示，隨著礦化劑含量的升高，莫來(lái)石及第三相晶體發(fā)育的愈大，試樣的強(qiáng)度也逐步提高，3#配方的強(qiáng)度最高，而4#配方的強(qiáng)度保持率最高。

莫來(lái)石；第三相；合成溫度；礦化劑

1　引言

莫來(lái)石-剛玉質(zhì)復(fù)相陶瓷因同時(shí)具有莫來(lái)石相熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)低、抗蠕變、抗熱震和剛玉相彈性高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)，使得其性能優(yōu)越于純剛玉陶瓷和純莫來(lái)石陶瓷，再者由于莫來(lái)石與剛玉相熱膨脹系數(shù)不同，復(fù)相陶瓷內(nèi)部存在熱膨脹失配，可形成裂紋。在熱應(yīng)力的作用下，這些裂紋可吸收彈性應(yīng)變能，使驅(qū)動(dòng)主裂紋擴(kuò)展的能量降低，提高復(fù)相陶瓷的斷裂表面能，從而提高抗熱震性。

為了拓寬剛玉莫來(lái)石陶瓷的應(yīng)用范圍，加入一定量的礦化劑以降低材料的膨脹系數(shù)是一種常用的方法。

本文旨在通過(guò)外加礦化劑調(diào)節(jié)復(fù)相陶瓷的合成溫度和配方，制備出結(jié)構(gòu)和性能均最佳的陶瓷。

2　試驗(yàn)內(nèi)容

2.1剛玉莫來(lái)石陶瓷的制備

根據(jù)原料及組成點(diǎn)的化學(xué)組成進(jìn)行配方計(jì)算，按照下列工藝過(guò)程制備試樣。

原料→配料→濕法球磨→干燥、造?！尚汀稍铩鸁?/p>

其中，細(xì)磨料全部過(guò)200目篩，加入一定量的PVA作粘結(jié)劑，采用半干壓法壓制成型，成型壓力為30 MPa，試樣尺寸為：50mm×10mm。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中分別于1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃保溫3 h燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2復(fù)相陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測(cè)試燒結(jié)體的吸水率、孔隙率和體積密度，利用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相；采用JM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面微觀形貌；利用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量燒結(jié)體的抗折強(qiáng)度，并通過(guò)試樣經(jīng)過(guò)1150℃抗熱震性后的抗折強(qiáng)度保持率表征其熱穩(wěn)定性。

3　結(jié)果與討論

3.1合成溫度對(duì)陶瓷的影響

圖 1所示為不同配方在 1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結(jié)體的燒成收縮圖。

圖1　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結(jié)體的燒成收縮

其中，加入1#、2#、3#、4#試樣中的礦化劑量逐漸增多。從圖1可知，所有試樣隨著燒成溫度的升高，燒成收縮均呈先降低后升高的趨勢(shì)，其中1#配方的試樣在1597℃時(shí)的燒成收縮最低，其余三個(gè)配方的試樣在1575℃時(shí)的燒成收縮最低，說(shuō)明礦化劑的引入，活化了晶格，促進(jìn)了陶瓷的燒結(jié)，因此2#、3#和4#試樣在1575℃時(shí)收縮率達(dá)到最低。將2#、3#和4#試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，2#試樣的收縮較大，3#和4#試樣的收縮較小，這說(shuō)明礦化劑含量較低時(shí)起促進(jìn)燒結(jié)作用，隨著礦化劑含量的增加，收縮較小，說(shuō)明在配方中已形成第三相，而該相的熱膨脹系數(shù)較低，故收縮較小。

圖2所示為不同配方試樣在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結(jié)體的吸水率曲線。

圖2　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結(jié)體的吸水率曲線

從圖2可知，1#和2#樣品的吸水率隨著燒結(jié)溫度的升高，呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，而3#和4#樣品的吸水率卻是逐漸降低。一般而言，隨著溫度的升高，陶瓷的氣相逐漸降低，吸水率會(huì)降低。在1558℃之前，1#和2#樣品中的小氣孔在溫度的作用下，逐漸熔合成大氣孔，而外表面的小氣孔未達(dá)到閉合狀態(tài)，因此吸水率有一個(gè)上升的階段。吸水率的高低并不能完全看出陶瓷的燒結(jié)情況，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)陶瓷的吸水率除了與其內(nèi)部的氣孔量相關(guān)外，還與氣孔大小的分布及均勻性相關(guān)，因此應(yīng)該綜合陶瓷的孔隙率和體積密度進(jìn)行綜合分析。

圖3所示為不同配方試樣在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃的孔隙率、體積密度曲線。

圖3　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃的孔隙率（a）、體積密度（b）曲線

從圖3所示的孔隙率和體積密度情況可以看出，隨著溫度的升高，試樣的孔隙率先增加后降低，這與試樣的吸水率隨溫度變化的情況相當(dāng)，在1558℃時(shí)吸水率最高，1#配方的體積密度最小，這是比重較小的莫來(lái)石以及非晶質(zhì)相含量高所致；燒結(jié)溫度為1575℃時(shí)的吸水率和顯氣孔率較高，但是試樣的體積密度并非最低，說(shuō)明此溫度的燒結(jié)體較為致密，并且從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)，選用1575℃為燒結(jié)溫度，考察不同配方對(duì)陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能影響，較為適宜。

3.2不同配方對(duì)燒結(jié)體結(jié)構(gòu)的影響

表1所示為不同配方試樣在1757℃燒成后的物相情況。

從表1可以看出，1#配方的非晶質(zhì)相的含量較高，主要是由于在1575℃下，試樣未完全燒結(jié)，而在1597℃時(shí)燒結(jié)最為致密，這可以通過(guò)燒成收縮以及吸水率和體積密度進(jìn)行體現(xiàn)。低溫時(shí)，粘土中的鉀鈉離子較易形成玻璃相，導(dǎo)致了強(qiáng)度偏低，隨著礦化劑含量的增加，第三相的含量增加，與此同時(shí)，非晶質(zhì)相含量大幅度降低，這是由于礦化劑爭(zhēng)奪了體系中的Al2O3，形成第三相，導(dǎo)致了形成二次莫來(lái)石的SiO2量較低，因而非晶質(zhì)相的含量較低。其中，剛玉的熱膨脹系數(shù)是8.2×10-6/℃，莫來(lái)石的熱膨脹系數(shù)是5.3×10-6/℃，而第三相的熱膨脹系數(shù)更低，從表1可以看出，4#樣的熱膨脹系數(shù)匹配程度較好，因此其熱穩(wěn)定性也最好。

表1　不同配方試樣在1575℃燒成后的物相情況

如圖4所示為不同配方試樣在1575℃時(shí)燒結(jié)后的斷面掃描照片。

圖4　不同配方試樣在1575℃時(shí)燒結(jié)后的斷面掃描照片

從圖4的斷面掃描照片可以看出，1#、2#試樣的空隙均較大較深，其中1#和2#試樣的孔洞最大約10～15 μm，1#照片中的孔洞甚至有15～20μm。1#試樣中的大量晶粒被玻璃相所包裹，且部分晶粒被熔融；3#試樣主要為柱狀晶體，晶體最大，大小為10μm左右，晶體大小均勻，并且整個(gè)區(qū)域內(nèi)的晶體也分布非常均勻，玻璃相將晶體包裹，部分熔融，結(jié)構(gòu)非常緊湊，幾乎沒(méi)有空隙，因而3#試樣的強(qiáng)度最大；4#試樣的晶體較大，未出現(xiàn)大的空隙，細(xì)小的空隙均勻分布在整個(gè)區(qū)域，結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，從照片可以看出，里層可以看到明顯的柱狀晶體，晶體互相交錯(cuò)著排列。

3.4合成溫度對(duì)陶瓷性能的影響

圖5所示為不同配方在1575℃時(shí)燒結(jié)后的試樣抗彎強(qiáng)度。表2為不同配方的抗熱震性。

圖5　不同配方在1575℃時(shí)燒結(jié)后的試樣抗彎強(qiáng)度

從圖5可以看出，不同配方的試樣抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，其中3#試樣的抗彎強(qiáng)度最高。

表2　不同配方的抗熱震性

從表2可以看出，3#配方的常溫強(qiáng)度最高，這是由于第三相互交錯(cuò)的分布在莫來(lái)石晶體中，起著“釘扎效應(yīng)”［1］，支架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了對(duì)外來(lái)應(yīng)力的抵抗力，強(qiáng)度得到提高，3#配方中第三相含量最高，但是強(qiáng)度保持率不是最高，這有可能是第三相的熱膨脹系數(shù)太低，含量過(guò)高，導(dǎo)致基質(zhì)和骨料的熱膨脹系數(shù)差較大，產(chǎn)生的裂紋較大，在熱沖擊作用下，裂紋發(fā)生了擴(kuò)展，致使1150℃的熱震后強(qiáng)度較低；從4#配方的斷面掃描照片可以看出，條狀莫來(lái)石晶體發(fā)育良好，并形成交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，玻璃相和第三相填充在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的間隙中，并且可以看到明顯的相接觸，適當(dāng)?shù)牟Ａ鄬⒕喔糸_，形成細(xì)小的裂紋，在經(jīng)過(guò)1150℃的熱震后，這些微裂紋對(duì)熱沖擊起到緩沖作用，因而4#配方的強(qiáng)度保持率最高，為63.19%。

4　結(jié)論

本試驗(yàn)中四個(gè)配方在不同溫度下的吸水率和空隙率呈現(xiàn)類似的變化趨勢(shì)，且在1575℃下燒結(jié)性能最好。隨著配方中的礦化劑含量的提高，燒結(jié)體中的第三相的含量也提高，其含量基本為礦化劑加入量的兩倍；三點(diǎn)彎曲法檢測(cè)結(jié)果顯示，隨著配方中的礦化劑含量的提高，試樣的強(qiáng)度也逐步提高，3#配方的強(qiáng)度最高，而4#的常溫強(qiáng)度保持率最高。

［1］李立本,郭惠芬,等.缺陷釘扎導(dǎo)致的鐵電陶瓷介電弛豫效應(yīng)［J］.河南大學(xué)科技學(xué)報(bào),2012,33（5）：93～95.