稀土LaF₃對氧化鋁陶瓷材料結構和性能的影響研究

蔣強強　何龍　狄玉麗

摘? 要：該文以微米級輕質氧化鋁為原料，稀土LaF3為添加劑，聚乙烯醇為粘結劑，采用常壓燒結法制備氧化鋁陶瓷。確定了陶瓷坯體最佳壓制壓強為100MPa、最佳燒結溫度為1600℃。對氧化鋁陶瓷進行了收縮率、孔隙率、硬度、抗熱震性能、XRD和SEM的分析和表征，最終得到添加0.1wt%LaF3的氧化鋁陶瓷抗熱震性能較好。

關鍵詞：氧化鋁陶瓷? 稀土LaF3? 燒結性能? 抗熱震性能

中圖分類號：TQ174 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0058-03

氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產(chǎn)量最大的陶瓷材料[1]。陶瓷主要分為現(xiàn)代工藝陶瓷和傳統(tǒng)陶瓷，目前被廣泛應用于生活中。而氧化鋁陶瓷最大的優(yōu)點是耐高溫、耐腐蝕，是最具有代表性的工程陶瓷材料[2]。由于具有這些優(yōu)良性能常被用于航天、工業(yè)、衛(wèi)生、生物醫(yī)療等對材料相對要求較高的場合。氧化鋁陶瓷性能主要取決于它的微小結構，陶瓷燒結是一個復雜的物理和化學變化過程[3]。經(jīng)過我們用壓片機壓制成型時粉末間由壓制前的點接觸變?yōu)闊Y成品后的面接觸，顆粒中心不斷團聚成一個整體出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象[4]。燒結過程就是由聯(lián)通氣孔變成密閉氣孔的過程，最后形成一個整體[5]。燒結溫度不僅會對氧化鋁陶瓷顯微結構產(chǎn)生影響，同時制樣時的壓制時間、助燒劑的不同比例[2-3]、稀土的添加量同樣也會對陶瓷結構產(chǎn)生不同程度的影響。研究這些條件對氧化鋁陶瓷使用范圍得到進一步提高，使其更好地應用于不同場合[6]。

1? 實驗

1.1 氧化鋁陶瓷的制備

實驗以輕質氧化鋁粉末（AR，≥98.5%）為主要原料，聚乙烯醇（≥98.0%）為粘接劑，以及一定量的助燒劑滑石粉、碳酸鈣、二氧化硅，壓制三批空白對照組試樣并分別在1500℃、1550℃和1600℃下燒結。每一批分別為3個助燒劑含量（1%、2%、5%）和3個壓制時間（2min、4min、6min）。以探索最佳燒結溫度、助燒劑含量和壓制時間。

然后再加入不同含量氟化鑭稀土（0.1wt%、0.2wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、5wt%）。按照比例取樣，然后球磨混合后采用干壓成型法壓制成型，壓制為100MPa，壓制時間為2min，助燒劑為1%。使用馬弗爐進行燒結，在100℃以下預熱馬弗爐30min并排除水蒸氣;在1000℃保溫1h以排除粘接劑聚乙烯醇;在1600℃時保溫2h，最后降溫就可以得到產(chǎn)物。

1.2 性能檢測及表征

采用精密陶瓷孔隙率體積密度測試儀對試樣進行密度、孔隙率的測試;用游標卡尺測量試樣體積，計算試樣的體積收縮率;使用洛氏硬度計測試試樣的洛氏硬度;采用YB/T 376.3-2004水急冷——裂紋判定法[7]來檢測氧化鎂陶瓷的抗熱震性能;X射線衍射儀對試樣進行物相分析;掃描電子顯微鏡觀察試樣微觀形貌。

2? 結果與討論

2.1 空白組探索

空白組試樣探究了不同燒結溫度、不同燒結助劑含量及不同壓制時間對氧化鋁的抗熱震性能的影響，數(shù)據(jù)結果如表1所示。

在1550℃和1600℃時抗熱震較好，壓制試樣時存在內部應力和驟冷時的熱應力使陶瓷破裂，但是1600℃下的樣品裂痕較1500℃小，表明相對于1550℃的試樣，1600℃有更好的性能。在助燒劑含量為1%和2%時抗熱震較好。在壓制2min和6min時抗熱震較好。綜合比較，助燒劑為1%和壓制2min時能夠得到抗熱震性較好的產(chǎn)品。

2.2 LaF3對氧化鋁陶瓷性能影響

2.2.1 不同添加量對燒結性能影響

如圖1所示，隨稀土加入量增加總體收縮率又減低的趨勢，可能是由于稀土的引入，稀土氟化鑭主要在晶界處，起到凈化晶界雜質，細化晶粒的作用，所以氧化鋁粉末流動性增加，燒結得更加緊密所以孔隙率也降低，可以得出結論引入氟化鑭可以使陶瓷致密性更好，孔隙率降低，特別是密閉孔體積顯著下降，表明燒結情況很好。

2.2.2 不同添加量對硬度和抗熱震性能影響

如圖2所示，隨稀土添加量增加，洛氏硬度先上升一點然后下降，稀土添加量增加反而使洛氏硬度呈現(xiàn)一定程度下降，稀土添加量為0.1%時硬度最高，后面繼續(xù)添加氟化等預算編制方法。鑭，使晶粒間雜質凈化，更有利于燒結，隨著保溫這段時間，晶粒與晶粒間又相互再次連接形成一個更大的晶粒，然后相互連接呈現(xiàn)板塊狀，相比于細小的晶粒，力學性能下降，從而使試樣抗擊表面變形能力下降。所以圖2中出現(xiàn)硬度值下降的曲線。隨稀土添加量增加，抗熱震次數(shù)先上升然后顯著下降，然后繼續(xù)上升，總體都較于不加稀土組抗熱震性得到提高，添加的稀土大部分分布于晶界處，起到細化晶粒，使氧化鋁細小顆粒連接更加緊密，都較于空白組性能提高，使式樣的抗熱震性得到提高。

2.2.3 不同添加量對物相影響

將3組衍射圖像與標準PDF卡片對比，由圖3得到的主要產(chǎn)物均為氧化鋁，同時發(fā)現(xiàn)在5%氟化鑭添加量是有少量的鈣、鎂和二氧化硅檢測出。應該是加入的少量氟化鑭和助燒劑在晶界處，并沒有與氧化鋁粉末相反應，所以最后燒結成型的試樣主要相還是氧化鋁，同時還有少量的添加物被檢測出。

2.2.4 不同添加量對表面形貌

如圖4所示，a為添加0.1 wt%LaF3，b為添加了5wt% LaF3的氧化鋁陶瓷在5000倍（30μm）掃描電鏡下的微觀形貌?？梢钥闯龅拖⊥撂砑恿垦趸X陶瓷晶粒與晶粒之間較緊密[8]，圖d形成較多液相，晶粒與晶粒間已經(jīng)相互連接，呈現(xiàn)板塊，根據(jù)前面數(shù)據(jù)分析，添加過量氟化鑭（5%）不僅不會提高產(chǎn)品質量，反而出現(xiàn)性能下降現(xiàn)象，故應該注意稀土的添加量，添加過多反而不好。綜合上述SEM圖片最好的添加量為0.1%添加組。

3? 結論

（1）壓制時間為2min，助燒劑為1%，燒結溫度為1600℃時氧化鋁陶瓷具有較好抗熱震性能。

（2）在最佳燒結條件下，加入不同含量的LaF3后，氧化鋁陶瓷的性能有較大程度的提高。根據(jù)氧化鋁陶瓷的綜合性能，添加0.1wt%LaF3時，陶瓷性能最佳。

參考文獻

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[2] 楊尚余，邢學剛，張嬌嬌，等.稀土氧化物摻雜對氧化鋁陶瓷力學性能和摩擦磨損性能的影響[J].功能材料，2018，49（6）：6190-6195，6200.

[3] 紀宏超，張雪靜，裴未遲，等.陶瓷3D打印技術及材料研究進展[J].材料工程，2018，46（7）：19-28.

[4] 王旭東.ZrO2添加量和燒結溫度對氧化鋁陶瓷性能的影響[J].鑄造技術，2018，39（8）：1799-1803.

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[7] YB/T 376.3-2004，水急冷—裂紋判定法[S].

[8] 曾峰，方海亮，王連軍，等.氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的性能研究[J].廣東化工，2018，45（4）：11-12，21.