成型壓力與燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷力學(xué)性能及其顯微結(jié)構(gòu)的影響

曹 宇，鄒圣華，陳都，胡繼林，陳占軍，彭秧錫

氧化鋁(Al2O3)陶瓷由于具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、高電阻率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，以及原料廣、價(jià)格低、制造工藝較簡單等眾多優(yōu)勢，成為用途最廣的特種陶瓷材料，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。Al2O3陶瓷產(chǎn)品配方組成含量一般在75%～99.9 %之間，根據(jù)含量的多少，具體可以分為 “75瓷”、“85瓷”、“90瓷”、“95瓷”、“99 瓷”等。氧化鋁的含量不同，其陶瓷產(chǎn)品的性能會(huì)有差異，應(yīng)用的領(lǐng)域也各不相同[3-4]，例如，在力學(xué)性能上，氧化鋁陶瓷的彎曲強(qiáng)度較高，同時(shí)還具有較好的硬度和耐磨性，因而常用于刀具、陶瓷軸承等領(lǐng)域；氧化鋁陶瓷因其高透光率、高熱導(dǎo)率、低導(dǎo)電性等特性，被廣泛地用于陶瓷基板、陶瓷薄膜、透明陶瓷及絕緣設(shè)備等電子領(lǐng)域；在化學(xué)領(lǐng)域中，因其具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好等特性，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)制品的填充球體、防腐涂料等[5-7]。

氧化鋁陶瓷的熔點(diǎn)比較高(超過2 000 ℃)，其鍵合能較強(qiáng)，使其離子晶格能較大，原子擴(kuò)散能大，使得氧化鋁陶瓷需要較高的燒結(jié)溫度才能燒結(jié)致密。在陶瓷工業(yè)化生產(chǎn)過程中不但能耗大，而且也導(dǎo)致生產(chǎn)成本也較高[8]。目前，降低陶瓷燒結(jié)溫度的途徑主要有三種：(1)選用粒度較細(xì)、活性較好的原料；(2)使用特殊的燒結(jié)方法；(3)加入燒結(jié)助劑[9-10]。在配方中引入燒結(jié)助劑工藝簡單、成本低，是目前普遍采用的一種降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的方法；此外，在配方組成中加入一定量的燒結(jié)助劑還可以抑制Al2O3晶粒的長大，有助于獲得接近理論密度的燒結(jié)體[11]。

氧化鋁陶瓷的成型與燒結(jié)工藝條件對(duì)氧化鋁陶瓷的致密度、強(qiáng)度、硬度等性能有直接的影響，例如，原料的粒度大小、不同種類添加劑、添加劑的含量、成型壓力等，對(duì)氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)都有非常大的影響。本研究擬采用干壓成型工藝，以煅燒氧化鋁為主要原料，添加適量的燒結(jié)助劑(如MgO、CaO、SiO2、Y2O3和La2O3等)，詳細(xì)探討不同成型壓力和燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷相關(guān)理化性能的影響，并對(duì)比研究陶瓷燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究中所用到的實(shí)驗(yàn)原料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料

1.2 陶瓷樣品制備

1)使用電子分析天平，根據(jù)實(shí)驗(yàn)配方表(表2)，將煅燒氧化鋁粉、氧化鑭、氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅等原料按照配方進(jìn)行配料。

表2 實(shí)驗(yàn)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位： %

2)將稱量好的各原料放入球磨罐中，選擇氧化鋯瓷球作為球石，并加入適量的水，料∶球∶水質(zhì)量比設(shè)定為1∶2∶1.5，用行星式球磨機(jī)(轉(zhuǎn)速設(shè)置為400 轉(zhuǎn)/min)進(jìn)行快速球磨混料2 h。

3)將球磨好的漿料取出，倒入燒杯中，將混合好的漿料在110 ℃的干燥箱中干燥24 h。

4)配制好質(zhì)量百分比濃度為5%的聚乙烯醇溶液作為黏結(jié)劑，將上述干燥混合粉料倒入到陶瓷研缽中，然后加入一定量的聚乙烯醇溶液，充分混合后放置在密封袋中悶料24 h。

5)將悶料24 h后的粉料經(jīng)40目篩網(wǎng)過篩處理，然后放入手扳式成型壓片機(jī)的鋼質(zhì)模具中，分別以80、100、120 MPa的成型壓力壓制成型，每個(gè)壓力值壓制3個(gè)樣品。將壓制成型的陶瓷樣品置于110 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥處理(干燥時(shí)間為12 h)。

6)將干燥處理過的樣品按順序放在高溫箱式電阻爐中，然后分別于1 500、1 550、1 600 ℃的溫度下燒結(jié)保溫2 h。保溫時(shí)間結(jié)束后，燒結(jié)的陶瓷樣品隨爐冷卻至室溫。

7)待樣品冷卻到室溫后將樣品進(jìn)行表面拋光處理。

1.3 性能測試及表征

使用游標(biāo)卡尺測量樣品燒結(jié)前后的尺寸，計(jì)算體積收縮率；使用靜水力學(xué)天平測量燒結(jié)前后氧化鋁陶瓷樣品的質(zhì)量，計(jì)算樣品的體積密度和氣孔率；使用濟(jì)南聯(lián)工測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CMT-50電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測試樣品的抗彎強(qiáng)度；使用上海聯(lián)爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司的HVS-30數(shù)顯維氏硬度計(jì)測試氧化鋁陶瓷樣品的維氏硬度；采用韓國COXEM公司的EM-30AX型掃描電鏡(SEM)觀測實(shí)驗(yàn)步驟3)干燥后的混合粉末以及燒結(jié)樣品斷面的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 體積收縮率分析

一般情況下，氧化鋁陶瓷樣品在燒結(jié)完成后會(huì)發(fā)生一定的體積收縮，燒結(jié)前后需要測量樣品的長、寬、高，來計(jì)算燒結(jié)前后樣品的體積，從而計(jì)算出樣品的體積收縮率，其計(jì)算公式為：體積收縮率=(燒前體積-燒后體積)/燒前體積×100%。不同樣品在1 500、1 550、1 600 ℃下燒結(jié)后的體積收縮率見表3。

表3 在1 500～1 600 ℃燒結(jié)溫度下陶瓷燒結(jié)體的體積收縮率

體積收縮率是指陶瓷材料在燒成過程中體積縮減的物理量，是評(píng)價(jià)陶瓷材料質(zhì)量的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。由表3可知，在1 500 ℃燒結(jié)溫度下樣品體積收縮率最低，在1 600 ℃燒結(jié)溫度下樣品收縮率最高。這主要是由于燒結(jié)溫度越高，晶界遷移和晶界擴(kuò)散的速率越快。當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，晶界遷移與晶界擴(kuò)散的速率達(dá)到最大，此時(shí)坯體致密化程度較高，繼續(xù)升溫，晶界擴(kuò)散緩慢，晶界遷移繼續(xù)，坯體接近完全致密化，因此收縮速度下降[12]。干壓成型時(shí)，隨著成型壓力的增加，坯體致密度越大[13]，樣品體積收縮率隨壓力增加而減小。

2.2 體積密度、吸水率與氣孔率分析

體積密度、吸水率和氣孔率是影響陶瓷致密度的主要因素。陶瓷樣品在1 500、1 550、1 600 ℃下燒結(jié)后的體積密度、氣孔率、吸水率測試結(jié)果見表4至表6。

表4 1 500 ℃燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度

表5 1 550 ℃燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度

表6 1 600 ℃燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度

由表4至表6可知，在1 600 ℃燒結(jié)溫度下樣品體積密度最大，在1 500 ℃燒結(jié)溫度下的樣品體積密度最小。在1 600 ℃燒結(jié)溫度下的樣品，隨著成型壓力的增大，體積密度不斷增大。這是因?yàn)槌尚蛪毫υ酱?，粉料顆粒間的距離越近，氣孔率越小。吸水率、氣孔率隨溫度升高而降低。經(jīng)比較，1 600 ℃燒結(jié)溫度120 MPa成型壓力下的樣品體積密度最大為3.68 g/cm3。

2.3 抗彎強(qiáng)度分析

抗彎強(qiáng)度是指抵抗彎曲不斷裂的能力，它是衡量陶瓷材料力學(xué)性能特征的重要指標(biāo)之一。由表7可知，在1 600 ℃燒結(jié)溫度下樣品的抗彎強(qiáng)度明顯高于其他燒結(jié)溫度的樣品?？箯潖?qiáng)度越大，說明材料抵抗破壞的能力越強(qiáng)，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越好；反之，抗彎強(qiáng)度越小，說明材料內(nèi)部缺陷越多，抵抗破壞的能力越弱。另外，成型壓力越大，坯體致密度越高，但是在樣品的壓制過程中無法避免樣品存在氣孔、裂紋等缺陷，導(dǎo)致在同一溫度下，成型壓力與威布爾模數(shù)并沒有直接的線性關(guān)系[14]。從表中可以看出，成型壓力為100 MPa時(shí)，樣品抗彎強(qiáng)度最高，為225.3 MPa。

表7 燒結(jié)樣品的抗彎強(qiáng)度

2.4 維氏硬度分析

各燒結(jié)樣品的維氏硬度見表8。從表8可以看出，1 600 ℃燒結(jié)溫度的樣品硬度普遍高于其他溫度的樣品，這是由于燒結(jié)溫度越高，致密度越高，孔隙率就越低，從而硬度就越大；此外，晶粒越小，晶界越多，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)，材料形變的阻力也隨之增大，導(dǎo)致硬度越高[15]。對(duì)于不同的成型壓力，1號(hào)樣品的硬度最高，為907.5 HV。再增大成型壓力，樣品中的缺陷會(huì)發(fā)生硬化(粉料拱橋)[16]，燒結(jié)過程無法消除，最終導(dǎo)致樣品的硬度下降。

表8 燒結(jié)樣品的維氏硬度

2.5 掃描電鏡分析

圖1為經(jīng)球磨處理與干燥后的混合粉末的掃描電鏡照片。由圖1可以看出經(jīng)球磨細(xì)化處理后的混合粉末呈現(xiàn)多樣化顯微結(jié)構(gòu)，主要由短棒狀、片狀以及不規(guī)則多角形顆粒組成，其粒徑在0.2～2 μm之間，這將有利于氧化鋁陶瓷的致密化燒結(jié)。由圖2至圖4可知，當(dāng)成型壓力較小時(shí)，晶粒沒有完全長大，坯體內(nèi)部存在少量孔洞，顆粒存在一定的流動(dòng)性(圖2)。當(dāng)成型壓力過大時(shí)，坯體內(nèi)部顆粒被粉碎，失去流動(dòng)性；同時(shí)，坯體內(nèi)部可能同時(shí)出現(xiàn)夾層現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部存在大量缺陷(圖4)。1 600 ℃燒結(jié)溫度和100 MPa成型壓力條件下制備的樣品其顯微結(jié)構(gòu)排列緊密，坯體內(nèi)部幾乎沒有氣孔，致密度較高(圖3)，因而賦予氧化鋁陶瓷較高的體積密度和力學(xué)性能。

圖1 球磨細(xì)化處理后混合粉末原料的SEM照片

圖2 80 MPa成型壓力下經(jīng)1600 ℃燒結(jié)后的樣品SEM照片

圖3 在100 MPa成型壓力下經(jīng)1 600 ℃燒結(jié)后的樣品SEM照片

圖4 在120 MPa成型壓力下經(jīng)1 600 ℃燒結(jié)后的樣品SEM照片

3 結(jié)論

1)燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷的體積收縮率有很大的影響，溫度越高，體積收縮率越大。成型壓力與體積收縮率成反比，壓力越大，致密度越高，體積收縮率越低。燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷的體積密度、吸水率和氣孔率均有很大影響，溫度越高，體積密度越大，吸水率和氣孔率越小。成型壓力對(duì)體積密度、吸水率和氣孔率的影響相對(duì)小一些。

2)燒結(jié)溫度越高，抗彎強(qiáng)度和維氏硬度也越大。在1 600 ℃燒結(jié)溫度下，當(dāng)成型壓力為100 MPa時(shí)，樣品抗彎強(qiáng)度最高，為225.3 MPa。在1 600 ℃燒結(jié)溫度下，成型壓力為80 MPa時(shí)所制得的陶瓷樣品的維氏硬度最大(907.5 HV)。

3)粉末原料的球磨細(xì)化處理有助于氧化鋁陶瓷的致密化燒結(jié)。1 600 ℃燒結(jié)溫度和100 MPa成型壓力條件下，所制備的陶瓷樣品的顯微結(jié)構(gòu)排列緊密，坯體內(nèi)部幾乎無氣孔，致密度較高，賦予氧化鋁陶瓷較高的體積密度和力學(xué)性能。