混合稀土Pr 6O11和Nd2O3對(duì)氧化鎂陶瓷材料密度及硬度的影響

趙 林 范瀟方 狄玉麗

（西昌學(xué)院理學(xué)院，四川 西昌 615000）

0 引言

氧化鎂陶瓷材料因具有高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)和耐抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)可作為金屬及其合金材料的理想燒結(jié)及冶煉容器。但氧化鎂陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)較大會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較差的抗熱震性，為了提高氧化鎂的性能，有研究者通過添加微米Al2O3顆粒[1]、納米ZrO2顆粒[2]、TiO2包覆[3]、稀土氧化物[4]或復(fù)合添加劑[5]來提高氧化鎂陶瓷的抗熱震性和致密性，且發(fā)現(xiàn)稀土氧化物主要集中分布于陶瓷的邊界或晶界處，起到阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用從而細(xì)化材料的晶粒和提高致密性。目前較多研究者將La2O3、Y2O3、Sm2O3、CeO2加入陶瓷材料中[6-8]，而對(duì)其他稀土研究較少。前期研究發(fā)現(xiàn)輕稀土CeO2、Nd2O3、Pr6O11都能提高氧化鎂材料的抗熱震性[9-10]，且高硬度的氧化鎂同時(shí)具有高抗熱震性。本文在原有研究基礎(chǔ)上，添加了少量的助燒劑碳酸鈉、滑石粉、二氧化硅以期降低氧化鎂的燒結(jié)溫度，并探究了混合稀土Nd2O3和Pr6O11對(duì)氧化鎂的密度和硬度影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 氧化鎂陶瓷的制備

實(shí)驗(yàn)使用納米氧化鎂（粒徑為40～60 nm，純度≥99.50%）顆粒、稀土Pr6O11（純度99.99%）稀土氧化釹（純度99.99%），以碳酸鈉、滑石粉、二氧化硅為助燒劑，聚乙烯醇（AR）為黏結(jié)合劑。其中單一稀土Pr6O11和Nd2O3的添加量分別為0wt%、0.5wt%、1wt%、3wt%、5wt%、8wt%、10wt%，記為P1～P7及N1～N7共14組。其中助燒劑碳酸鈉、滑石粉、二氧化硅都為1wt%的添加量，而黏結(jié)劑添加量為3wt%。將稱量好的原料放入球磨機(jī)中均勻混合，然后采用粉末壓片機(jī)壓制試樣，成型壓力為484 MPa。在馬弗爐中分別采用1450℃、1490℃和1530℃3種燒結(jié)溫度制得氧化鎂陶瓷。

探究得到單一稀土最佳添加量后，在此最佳混合稀土添加量下按照Pr6O11和Nd2O3的重量比例為：7:3；5:5；3:7，分別探究三種不同添加比例下混合稀土對(duì)氧化鎂的性能影響，得到最佳混合稀土添加量比例。

1.2 性能檢測(cè)及表征

采用阿基米德排水法檢測(cè)材料的密度；用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣體積，計(jì)算試樣的體積收縮率的變化；根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T230.2測(cè)定試樣的洛氏硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對(duì)氧化鎂的性能影響

根據(jù)不同的燒結(jié)溫度對(duì)氧化鎂陶瓷的密度和硬度影響結(jié)果得知，隨著溫度的升高，氧化鎂的密度及硬度都隨之升高，并在1530℃燒結(jié)時(shí)，氧化鎂的性能最好，密度為2.52g/cm3和45 HRA，且此時(shí)的樣品的體積收縮率為6%。確定后續(xù)添加單一稀土及混合稀土氧化鎂的燒結(jié)溫度為1530℃。

2.2 單一稀土對(duì)氧化鎂的性能影響

根據(jù)單一稀土氧化鐠、氧化釹對(duì)氧化鎂的密度及硬度性能數(shù)據(jù)得知，隨著Pr6O11的添加量的增加，密度呈現(xiàn)波浪形變化，且在添加量為1wt%時(shí)有最大密度值3.06g/cm3，較空白氧化鎂（未添加稀土）增加了0.53g/cm3。而隨著Pr6O11添加量的增加，少量添加時(shí)氧化鎂硬度減小了，而繼續(xù)添加高于3wt%氧化鎂的硬度整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且在添加量為8wt%時(shí)高達(dá)77HRA，較空白組增加了32HRA。而隨著Nd2O3的添加量的增加，密度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且加入稀土后密度都較空白試樣提高了，且在添加量為3wt%時(shí)有最大密度值3.55 g/cm3，較空白氧化鎂（未添加稀土）增加了1.03 g/cm3。而隨著Nd2O3添加量的增加，氧化鎂的硬度呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，且在添加量8wt%時(shí)達(dá)到最高值為85HRA，較空白組增加了40HRA。2種稀土對(duì)比而言，氧化釹對(duì)氧化鎂無論從密度還是硬度上增幅都更大，說明稀土氧化釹對(duì)氧化鎂的性能影響較大且增強(qiáng)硬度及密度性能最好。

2.3 混合稀土對(duì)氧化鎂的性能影響

單一稀土對(duì)氧化鎂的性能影響結(jié)果分析得知，當(dāng)Pr6O11或Nd2O3添加量為8wt%時(shí)稀土對(duì)氧化鎂的性能最好，從而在混合稀土添加總量為8wt%時(shí)考慮將兩種稀土Pr6O11和Nd2O3混合加入氧化鎂中，以探究其不同添加比例對(duì)氧化鎂的硬度和密度影響。根據(jù)混合稀土對(duì)氧化鎂的密度及硬度影響數(shù)據(jù)得知當(dāng)Pr6O11與Nd2O3添加量為3∶7時(shí)氧化鎂的密度和硬度都最好，分別為3.1 g/cm3和74HRA，對(duì)比單一稀土在8wt%添加時(shí)的密度和硬度發(fā)現(xiàn)混合稀土的硬度都較Pr6O11和Nd2O3單一添加時(shí)低，分別差3HRA和8HRA。但對(duì)比空白組試樣，混合稀土的加入明顯提高了氧化鎂的密度和硬度，分別增加了0.58g/cm3和19HRA。

3 結(jié)語

（1）壓制壓強(qiáng)為484 MPa，燒結(jié)溫度為1530℃時(shí)，氧化鎂陶瓷具有較好的密度及硬度性能。

（2）單一稀土Nd2O3和Pr6O11添加量都為8wt%時(shí)，MgO陶瓷的密度和硬度性能都最好，但氧化釹的增強(qiáng)效果高于氧化鐠，其中氧化釹添加量為8wt%時(shí)，密度和硬度為2.76g/cm3和85 HRA。較空白組試樣密度和硬度分別增加1.24g/cm3和40 HRA。

（3）混合稀土總添加量為8wt%時(shí)，當(dāng)Pr6O11和Nd2O3的添加量為3∶7時(shí)，氧化鎂陶瓷的性能達(dá)到最好，密度和硬度分別為2.1 g/cm3和74HRA，但整體而言，性能無單一稀土最佳添加量時(shí)性能好。