納米SiO2添加量對(duì)95氧化鋁陶瓷力學(xué)性能的影響*

姬軍成 王 升 何 舜

(1 陜西華星電子集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712000)(2 咸陽(yáng)澳華瓷業(yè)有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712000)

氧化鋁陶瓷是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的材料之一,被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè),在航天、化工等不同領(lǐng)域都能看見(jiàn)氧化鋁陶瓷的身影[1～5]。根據(jù)氧化鋁含量的不同,氧化鋁陶瓷又分為低鋁瓷和高鋁瓷,其中氧化鋁含量85%以上的為高鋁瓷。目前在生產(chǎn)中,使用最廣泛的是氧化鋁含量約為95%的氧化鋁陶瓷,稱為“95瓷”。95瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、絕緣強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于電阻基體、集成電路基片、封裝管殼等行業(yè)。近年來(lái),高端95瓷領(lǐng)域一直被日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的氧化鋁陶瓷生產(chǎn)企業(yè)所壟斷。其原因是國(guó)產(chǎn)的95氧化鋁陶瓷零件性能與國(guó)外有一定的差距。提高95氧化鋁陶瓷不同方面的性能,則需要加入合適的添加劑。

納米添加劑由于粒子尺寸特別小,具有較高的比表面能,納米微粒的活性較大,自身熔點(diǎn)較低,能夠給燒結(jié)過(guò)程中的原子運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力,顯著降低燒結(jié)溫度[6～7]。例如常規(guī)的工業(yè)氧化鋁燒結(jié)溫度在1 800℃左右,而納米氧化鋁燒結(jié)溫度在1 400℃左右[8～9]。且納米添加劑具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,被廣泛應(yīng)用在磁、光、電等多個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)科學(xué)家多方面對(duì)納米添加劑研究,證實(shí)其具有優(yōu)異的熱學(xué)性能、光學(xué)性能、力學(xué)性能、磁學(xué)性能以及電學(xué)性能,是一種能夠有效提高材料各方面性能的添加劑。

張錫平等[10]通過(guò)向氧化鋁陶瓷中添加納米TiO2提高氧化鋁陶瓷的性能。實(shí)驗(yàn)表明:添加納米TiO2能夠顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度,改善其微觀結(jié)構(gòu),且當(dāng)納米TiO2添加量為2%,燒結(jié)溫度1 580℃時(shí),顯氣孔率為0.54%。李詠梅等[11]研究了納米氧化鋁粉對(duì)氧化鋁陶瓷性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:氧化鋁陶瓷在擠制成形的過(guò)程中加入適量的納米氧化鋁粉能夠有效提高生坯的密度,改善瓷件的力學(xué)性能以及微觀結(jié)構(gòu)。趙軍等[12]通過(guò)研究不同含量納米氧化鋁粉對(duì)氧化鋁陶瓷性能的影響,也得出了相似的研究結(jié)論,當(dāng)添加30%的納米氧化鋁粉,氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度最低為1 450℃,利用SEM 觀測(cè)到,氧化鋁陶瓷微觀尺寸均一,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最優(yōu)。而研究納米SiO2對(duì)95氧化鋁陶瓷性能影響的報(bào)道還比較少,因此筆者以CMS為基礎(chǔ)添加劑,采用干壓成形工藝制備樣品,探究納米SiO2對(duì)95氧化鋁陶瓷性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 原料及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)所使用的氧化鋁粉料粒徑為4～9μm,購(gòu)買于河南某氧化鋁廠;CaO、Mg O、SiO2為工業(yè)級(jí)粉料,購(gòu)買于陜西某化工廠;納米SiO2的平均粒徑為50 nm,購(gòu)買于寧波某廠家。

按表1的配方,將氧化鋁粉、CaO、MgO、SiO2、納米SiO2依次加到球磨罐中,再加入水和氧化鋁球(料、球、水比例為1∶1.1∶0.8)。使用行星球磨機(jī)球磨4 h后,得到球磨好的漿料,漿料通過(guò)110℃的烘箱烘干,烘干后的粉料研磨后過(guò)150目篩網(wǎng),隨后加入粘結(jié)劑聚乙烯醇(聚乙烯醇的濃度為10%),然后過(guò)40目和150目的篩網(wǎng),得到造粒粉。采用干壓成形工藝壓制生坯,造粒粉通過(guò)100 T 液壓機(jī)成形出樣品生坯,再經(jīng)過(guò)箱式爐在不同的溫度下焙燒得到實(shí)驗(yàn)所需的樣品。

表1 樣品配方組成

1.2 樣品測(cè)試

吸水率和體積密度通過(guò)阿基米德法進(jìn)行測(cè)定;樣品的外觀形貌通過(guò)EM-30PLUS型掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè);抗彎強(qiáng)度通過(guò)SGL-8000型抗彎強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量;斷裂韌性通過(guò)HV-30RX 斷裂韌性分析儀進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 體積密度

圖1(a)為不同燒結(jié)溫度下未添加納米SiO2所制備樣品的體積密度變化曲線。從圖1(a)可以看出,隨著燒結(jié)溫度從1 500℃增加至1 650℃,樣品的體積密度先增加后減小,燒結(jié)溫度為1 600℃時(shí),體積密度達(dá)到最大值3.65 g/cm3;當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 650℃時(shí),體積密度反而減小。這是因?yàn)楫?dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高時(shí),氧化鋁陶瓷中玻璃相增多,更多的鈣長(zhǎng)石和尖晶石會(huì)溶解到玻璃相中,而鈣長(zhǎng)石和尖晶石的密度大于玻璃相,造成體積密度減小。說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中,燒結(jié)溫度為1 600℃時(shí),能夠提高樣品的體積密度,最有利于樣品的燒成。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品的燒結(jié)溫度都在1 600℃下進(jìn)行。

圖1 樣品的體積密度

圖1(b)為不同納米SiO2添加量所制備樣品的體積密度變化曲線。從圖1(b)可以看出,在樣品中增加部分的納米SiO2,能夠顯著提高產(chǎn)品的體積密度,當(dāng)納米SiO2的添加量為2%時(shí),產(chǎn)品的體積密度最高為3.70 g/cm3。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)納米SiO2的添加量為3%時(shí),產(chǎn)品的體積密度為3.67 g/cm3,說(shuō)明添加過(guò)量的納米SiO2反而不利于提高產(chǎn)品的體積密度。

2.2 SEM 分析

圖2 是納米SiO2不同添加量所制備出樣品的SEM 圖。

圖2 1 600℃樣品的SEM 圖

由圖2可知,添加適量的納米SiO2能夠有效改善氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)納米SiO2添加量為2.0%時(shí),氧化鋁陶瓷晶粒尺寸最小,且晶粒尺寸均一,添加量分別為0%、1.0%、3.0%時(shí),所制樣品的晶粒尺寸較大,都出現(xiàn)了部分晶粒的過(guò)分生長(zhǎng)。這是因?yàn)榧{米SiO2具有較高的比表面能,粒子活性高,能夠有效活化氧化鋁晶粒的晶格,提供燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力,降低成瓷所需要的溫度,有利于得到尺寸較小的氧化鋁陶瓷晶粒。而當(dāng)納米SiO2的添加量過(guò)多時(shí),納米SiO2在陶瓷中的分散性降低,部分納米SiO2發(fā)生團(tuán)聚,不利于改善氧化鋁陶瓷晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。并且在四個(gè)樣品中都發(fā)現(xiàn)了片狀晶粒的存在,這是由于在燒成過(guò)程中,添加劑會(huì)選擇性吸附在氧化鋁晶粒的不同晶面,造成氧化鋁不同晶面的生長(zhǎng)速率不一致,導(dǎo)致氧化鋁晶粒出現(xiàn)了片狀晶粒。

2.3 力學(xué)性能

表2是納米SiO2不同添加量所制備樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果,并將結(jié)果繪于圖3中。

表2 樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

從圖3可以看出,未添加納米SiO2樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為255.35 MPa和5.11 MPa·m1/2,添加適量的納米SiO2能夠有效地提高樣品的力學(xué)性能,且隨著納米SiO2添加量的增加,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性兩者呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,都是先增加后減小,當(dāng)納米SiO2添加量為2%時(shí),樣品的力學(xué)性能最佳,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為342.89 MPa和5.34 MPa·m1/2。相比未添加納米SiO2樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高了34.28%和4.5%。這是由于加入適量的納米SiO2能夠促進(jìn)形成低共溶液相,加速晶粒的致密化進(jìn)程以及氣孔的排出,細(xì)化了晶粒。晶粒尺寸是影響陶瓷抗彎強(qiáng)度的重要因素,根據(jù)Hall-pitch關(guān)系式:σS=σ0+Kd-1/2可知,陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度與晶粒尺寸成反比,隨著晶粒尺寸的減小,陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度提高[13]。因此當(dāng)納米SiO2添加量為2%時(shí),抗彎強(qiáng)度最佳。當(dāng)晶粒較小時(shí),氧化鋁陶瓷的晶界被強(qiáng)化,沿著晶界斷裂所需要的能量較大,大部分沿晶斷裂會(huì)因此變?yōu)榇┚嗔?穿晶斷裂能夠提高材料的斷裂韌性,并且較小的晶粒能夠細(xì)化顯微結(jié)構(gòu),減少內(nèi)部缺陷,提高斷裂韌性。而當(dāng)納米SiO2較少或較多時(shí),氧化鋁陶瓷的晶粒較大,穿晶斷裂的比例減小,斷裂韌性降低。

圖3 樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在95氧化鋁陶瓷中加入適量的納米SiO2能夠有效地改善氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)納米SiO2的添加量為2%時(shí),氧化鋁陶瓷的微觀晶粒尺寸均一,且尺寸最小。在4個(gè)樣品中都觀察到了有部分的片狀晶粒,這與氧化鋁不同晶面的生長(zhǎng)速率不一致有關(guān)。

(2)隨著納米SiO2的添加量的增加,樣品的體積密度先增加后減小,當(dāng)添加量為2%時(shí),產(chǎn)品的體積密度最高為3.70 g/cm3。樣品的力學(xué)性能也在添加量為2%時(shí)最佳,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為342.89 MPa和5.34 MPa.m1/2。相比未添加納米SiO2樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高了34.28%和4.5%。