雙向加壓對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷性能的影響*

白佳海，王 前，杜慶洋，張 雍,魏春城

1.山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 淄博 255000；2. 山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司,山東 淄博 25000

BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷具有優(yōu)良的耐高溫性能、抗熱沖擊性能、可加工性能、耐腐蝕性能以及一定的導(dǎo)電性能，可廣泛應(yīng)用于真空鍍鋁行業(yè)中的陶瓷蒸發(fā)舟[1-4]．在工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用熱壓燒結(jié)方法制備BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷蒸發(fā)舟[2-5]．在以往的工藝中，由于模具等的限制，一般采用的是單相加壓工藝進(jìn)行熱壓燒結(jié)．單向加壓的缺點(diǎn)是在熱壓燒結(jié)過程中易導(dǎo)致壓力分布較不均勻，從而使BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷蒸發(fā)舟的強(qiáng)度、體積密度、電阻率等性能降低．因此，需要對加壓方式進(jìn)行改進(jìn)，以有效的提高陶瓷蒸發(fā)舟的各種性能及其均勻性．

雙向加壓工藝是一種較新穎的熱壓燒結(jié)的加壓方式，能有效降低和防止復(fù)相陶瓷蒸發(fā)舟在熱壓燒結(jié)過程中出現(xiàn)的性能降低及壓力分布不均勻等現(xiàn)象，還能明顯提高燒結(jié)體的致密度、抗彎強(qiáng)度等．本文通過對比實驗，較詳細(xì)研究了雙向加壓和單向加壓對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷對熱壓燒結(jié)的BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的體積密度、導(dǎo)電率和抗彎強(qiáng)度等影響．

1 實驗部分

實驗選用平均粒徑約為2.6 μm的h-BN (六方BN) 粉、平均粒徑約為1μm的TiB2粉、平均粒徑為2 μm左右的AlN粉和平均粒徑約1 μm的Y2O3粉為原料，各原料在坯體中的用量(體積百分?jǐn)?shù))分別為35～60 %、15～30%、20～50%、2～5%，各原料的純度均為工業(yè)純級．

將上述原料按照配比進(jìn)行稱量、濕法混合、干燥和熱壓燒結(jié)．分別選用適用于單向加壓和雙向加壓的直徑為20mm的石墨模具進(jìn)行熱壓燒結(jié)．燒結(jié)時，首先把真空度降低至10 Pa以下，然后開始以5℃/min的升溫速度加熱到1850 ℃并保溫1 h，熱壓燒結(jié)壓力保持在15MPa左右．

根據(jù)GB/T2997 -2000(2004)和阿基米德原理測定燒結(jié)試樣的氣孔率和吸水率．采用切割機(jī)把燒結(jié)后的樣品制成5mm×5mm×30mm 的樣品，利用三點(diǎn)彎曲法測定樣品的彎曲強(qiáng)度(萬能試驗機(jī)，MKM-4100)，其中跨距為30mm，加載速率0.5mm/min；用理學(xué)D/max-Ⅲ型X射線衍射儀，分析燒后試樣的物相組成；用Jsm-5900型掃描電子顯微鏡，表征燒后試樣的顯微結(jié)構(gòu)；用四探針法測量BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的電阻，并通過公式ρ=R·S/L計算其電阻率．

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為單相加壓和雙向加壓制備的復(fù)相陶瓷的XRD圖譜．通過圖1與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對比分析可知，本實驗制備的復(fù)相陶瓷的主晶相分別是六方BN(PCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡號：00-034-0421)、六方AlN(PCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡號：01-076-0566)和六方的TiB2(PCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡號：01-085-2084)．由于本實驗使用的原料分別是TiB2，BN和AlN，在高溫?zé)Y(jié)過程中這些組份以及組份之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即不會形成新相[4]，因此在燒結(jié)體的XRD圖譜沒有其他相的衍射峰．綜上所述，本實驗制備的陶瓷材料為BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷材料．

2.2 體積密度

圖2為雙向加壓和單相加壓制備的BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的體積密度．如圖2所示，與用單向加壓制備的復(fù)相陶瓷相比，用雙向加壓制備復(fù)相陶瓷的體積密度(約3.1 g/cm3)顯著增大，表明用雙向加壓有利于提高復(fù)相陶瓷的致密度．

圖2 加壓方式對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的體積密度的影響Fig.2 Effect of the pressing mode on bulk density of the BN-AlN-TiB2 composite ceramics

單向加壓是從一個方向施加壓力，在加壓工程中由于粉料和模具之間存在摩擦力，且物料相對于模具的平均運(yùn)動距離較大，這就容易導(dǎo)致在外加壓力一定的情況下，抵消的單向施加的壓力會較多，同時會導(dǎo)致物料內(nèi)部壓力分布較不均勻；而雙向加壓燒結(jié)時，由于上下兩部分的物料是從兩個方向相向運(yùn)動，與單向加壓相比物料的運(yùn)動距離在理論上可減少二分之一，抵消的雙向施加的壓力會較少，且物料內(nèi)部的壓力分布較均勻，提高了物料的堆積密度．因此，雙向加壓有利于提高復(fù)相陶瓷的致密度．

圖3 加壓方式對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的電阻率和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of the pressing modes on the resistivity and compressivestrength of the BN-AlN-TiB2 composite ceramics

2.3 抗彎強(qiáng)度和電阻率

圖3為加壓方式對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的電阻率和抗彎強(qiáng)度的影響圖．由圖3可以看出，利用雙向加壓制備的復(fù)相陶瓷的導(dǎo)電率大約在188 μΩ·cm，抗彎強(qiáng)度大約153 MPa，而利用單向加壓方法制備的復(fù)相陶瓷的導(dǎo)電率和抗彎強(qiáng)度分別是211 mW·cm和138 MPa．

由于雙向加壓是從兩個方向同時對物料進(jìn)行施壓，提高了粉料的堆積密度和熱壓燒結(jié)的BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的致密度和體積密度，進(jìn)而提高了燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度，同時也會提高導(dǎo)電組份(TiB2)構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連接程度，從而降低了電阻率[5]．

2.4 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖4為兩種不同加壓方式制備的BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的斷面的SEM圖．從圖4可以看到：本實驗制備的復(fù)相陶瓷中，BN呈片狀，還有顆粒狀的其他組份；利用雙向加壓方式制備的復(fù)相陶瓷的斷面顯得較為致密且孔隙率較低，而用單向加壓方式制備的復(fù)相陶瓷的燒結(jié)程度略有降低．這與所測定的體積密度的實驗結(jié)果相符，進(jìn)一步說明了雙向加壓的熱壓燒結(jié)方式能提高致密度，即提高燒結(jié)體的體積密度．

圖4 加壓方式對BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)的影響(a)雙向加壓：(b) 單向加壓Fig.4 Effects of the pressing modes on the micro-structures of the BN-AlN-TiB2 composite ceramics(a)pressing bidirectionally；(b)pressing mono-directionally

3 結(jié) 論

分別采用雙向加壓和單向加壓方式制備了BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷．與單向加壓方式相比，用雙向加壓方式制備的制備的BN-AlN-TiB2復(fù)相陶瓷的體積密度顯著增大，電阻率明顯降低，而抗壓強(qiáng)度等則顯著提高．