鋯英石摻入量對(duì)75氧化鋁陶瓷性能的影響*

王 升 何 舜 高曉磊 姬軍成

(1 陜西華星電子集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽 712000)

(2 咸陽澳華瓷業(yè)有限公司 陜西 咸陽 712000)

氧化鋁陶瓷是廣泛應(yīng)用在日常生活和工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的陶瓷材料,在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域有著重要的地位[1～5]。氧化鋁陶瓷以氧化鋁粉為主要原材料,添加適量的燒結(jié)助劑或其它礦物原料,經(jīng)過不同的成形工藝生產(chǎn)出陶瓷生坯,生坯在高溫下焙燒生產(chǎn)出氧化鋁瓷件。氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能,被應(yīng)用在火花塞、集成電路基片等領(lǐng)域。氧化鋁陶瓷領(lǐng)域通常根據(jù)其中氧化鋁含量的多少對(duì)瓷件進(jìn)行分類,習(xí)慣上將氧化鋁含量約95%的稱為“95瓷”,氧化鋁含量約75%的稱為“75瓷”[6～12]。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷主要以95瓷和75瓷為主,這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)行業(yè)中95瓷和75瓷的各項(xiàng)物理和化學(xué)性能指標(biāo),能夠滿足它們的生產(chǎn)要求。尤其是75瓷的原料來源廣泛、便捷,而且價(jià)格低廉,是一種適合工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用的陶瓷材料,但其各方面的性能不如95瓷,因此提高75氧化鋁陶瓷的性能是十分有必要的。

提高75瓷性能的途徑較為常見的有:使用顆粒尺寸較小的氧化鋁粉、添加合適外加劑或者燒結(jié)助劑、采用高溫高壓的生產(chǎn)條件制備瓷件等。考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的成本,添加合適外加劑是一種行而有效的方法。董偉霞等[13]探究了MgF2的添加量對(duì)75瓷的燒結(jié)性能、力學(xué)性能以及顯微結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)采用的氧化鋁粉是不同粒徑,按照9∶1的比例混合而成,MgOCaO-Zn O-SiO2作為外加劑。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)MgF2添加量為2%時(shí),75瓷樣品的性能最佳,晶粒形貌發(fā)育比較清晰,有效地促進(jìn)了氧化鋁陶瓷晶粒的生長和致密化,在燒結(jié)溫度為1 270～1 330℃時(shí),抗折強(qiáng)度和體積密度達(dá)到最大值165 MPa和3.18 g/cm3。任立琴等[14]采用了固體共熔物增強(qiáng)75氧化鋁陶瓷的性能。實(shí)驗(yàn)以CaO-Al2O3-MgO-SiO2為基礎(chǔ)配方,添加固體共熔物為外加劑,采用注漿成形工藝制備75氧化鋁陶瓷樣品。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)固體共熔物添加量為4%時(shí),75瓷樣品的性能最佳,晶粒發(fā)育較完全,晶粒尺寸小且分布均勻,在燒結(jié)溫度為1 370℃、保溫時(shí)間1 h,抗彎強(qiáng)度和體積密度達(dá)到最大值326.8 MPa和3.27 g/cm3。而研究鋯英石(ZrSiO4)對(duì)75氧化鋁陶瓷性能影響的報(bào)道還比較少,因此筆者以Mg O-CaOSiO2為外加劑,采用干壓成形工藝制備75氧化鋁陶瓷樣品,探究了ZrSiO4對(duì)75氧化鋁陶瓷性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 原料及實(shí)驗(yàn)過程

主要原料有:氧化鋁粉(粒徑為4～8μm,Al2O3含量≥99.5%);SiO2、CaO、Mg O 的粒徑為2～6μm;鋯英石(ZrSiO4)的平均粒徑為3μm。

實(shí)驗(yàn)過程:按表1的配方制備75瓷樣品。料、球、水比例為1∶1.2∶0.9,粘結(jié)劑聚乙烯醇的濃度為10%。將所用原料、自來水、鋯球等按比例混合,混合后使用球磨機(jī)球磨8 h,隨后將得到的漿料在室溫下自然風(fēng)干,過40 目和120 目的篩網(wǎng),得到的粉料使用200 T 的液壓機(jī)壓制出生坯。生坯按照設(shè)計(jì)好的溫度曲線在箱式爐中高溫焙燒成瓷(燒成溫度為1 380℃,保溫時(shí)間2 h),得到75氧化鋁陶瓷樣品。

表1 樣品配方組成(質(zhì)量%)

1.2 樣品測試

用阿基米德法測量樣品的吸水率和體積密度;用EM-30 PLUS型掃描電鏡觀察樣品的外觀形貌;用SGL-8000型抗彎強(qiáng)度測試儀測量樣品的抗彎強(qiáng)度;用HV-30 RX 斷裂韌性分析儀測量樣品的斷裂韌性;用ZJC-150 KV 型高壓試驗(yàn)裝置測定樣品的擊穿強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)性能

不同摻入量ZrSiO4的燒結(jié)性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 樣品的燒結(jié)性能測試結(jié)果

圖1是75瓷摻入不同含量的ZrSiO4所制備樣品燒結(jié)性能測試結(jié)果。

圖1 樣品的燒結(jié)性能測試結(jié)果

從圖1可以看出,隨著ZrSiO4摻入量的增加,樣 品的體積密度先增加后減小,吸水率先減小后增加,體積密度和吸水率呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。當(dāng)75瓷中摻入2%的ZrSiO4時(shí),體積密度達(dá)到最大值3.311g/cm3,吸水率為0.18%。而未摻入ZrSiO4的75 瓷樣品的體積密度為3.19 g/cm3。兩者相比,摻入2%的ZrSiO4樣品的體積密度提高了3.8%。因?yàn)殡S著Zr-SiO4摻入量的增加,燒結(jié)過程中易于形成液相物質(zhì),使得顆粒孔隙處的氣孔排出,致密化進(jìn)程加快,有利于提高氧化鋁陶瓷的體積密度,降低吸水率。同時(shí)Zr-SiO4包圍在氧化鋁陶瓷晶粒的晶界處,抑制晶粒的遷移速度,也會(huì)促進(jìn)致密化。當(dāng)摻入過量的ZrSiO4時(shí),氧化鋁陶瓷的體積密度降低,吸水率增加。因?yàn)閾饺脒^量的ZrSiO4,氧化鋁晶粒易出現(xiàn)二次重結(jié)晶,不利于氣孔的排出及陶瓷致密化。

2.2 SEM 分析

圖2是75瓷摻入不同量的ZrSiO4所制備樣品在1 380℃燒結(jié)的SEM 圖。

圖2 1 380℃樣品的SEM 圖

從圖2可以看出,未添加ZrSiO4樣品的晶粒尺寸較大,存在較多的氣孔;隨著ZrSiO4摻入量的增加,氧化鋁陶瓷晶粒被細(xì)化,得到了尺寸較小的晶粒;當(dāng)Zr-SiO4摻入量為2%時(shí),晶粒尺寸最小,且尺寸均一,相比未添加ZrSiO4的樣品,微觀形貌得到改善。這是因?yàn)殡S著ZrSiO4摻入量的增加,氧化鋁晶粒與分散的ZrSiO4熱膨脹不一致,氧化鋁晶粒的生長受到影響,抑制了氧化鋁晶粒的長大,并且隨著ZrSiO4的增加,燒結(jié)過程中的液相量也會(huì)增加,促使晶粒細(xì)化。當(dāng)添加的ZrSiO4過多時(shí),過量的液相量導(dǎo)致氧化鋁晶粒的異常生長,小晶粒相互融合生長成尺寸較大的晶粒。在4個(gè)樣品中的氧化鋁陶瓷晶粒都出現(xiàn)了片狀晶粒。這主要是因?yàn)檠趸X陶瓷在燒結(jié)的過程中,氧化鋁晶粒的各個(gè)晶面對(duì)添加物的吸附強(qiáng)弱不同,致使晶粒的每個(gè)晶面發(fā)育速度不一致,從而出現(xiàn)了片狀晶粒。

2.3 力學(xué)性能

不同摻入量ZrSiO4的力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果

圖3是75瓷摻入不同含量的ZrSiO4所制備樣品抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性測試結(jié)果。

圖3 樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果

從圖3可以看出,75瓷樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性隨著ZrSiO4摻入量的增加,先增加后減小,并且兩者呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。當(dāng)75瓷中摻入2%的Zr-SiO4時(shí),力學(xué)性能最佳,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最 大值228.49 MPa和4.85 MPa.m1/2。而未摻入ZrSiO4的75瓷樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性為185.64 MPa和4.56 MPa·m1/2。兩者相比,摻入2%的ZrSiO4樣品的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性提高了23.08%和6.36%。這是因?yàn)殡S著75瓷樣品中ZrSiO4摻入量的增加,燒結(jié)過程中的液相物質(zhì)也會(huì)增加,能夠促進(jìn)氧化鋁陶瓷的致密化進(jìn)程,加速陶瓷晶粒間隙的氣孔排出,有利于氧化鋁陶瓷晶粒的細(xì)化。

根據(jù)Hall-pitch式:σS=σ0+Kd-1/2可知,較小的氧化鋁晶粒尺寸能夠提高氧化鋁陶瓷的抗彎強(qiáng)度[15]。而當(dāng)ZrSiO4摻入量到3%時(shí),過多的液相物質(zhì)會(huì)促使氧化鋁陶瓷晶粒的過度生長,降低抗彎強(qiáng)度。隨著ZrSiO4摻入量的增加,氧化鋁晶粒被細(xì)化,陶瓷在燒結(jié)過程中的相變韌化作用增強(qiáng),相變引起的顯微裂紋增多,能夠有效地提高氧化鋁陶瓷的斷裂韌性。當(dāng)ZrSiO4摻入量過多時(shí),氧化鋁陶瓷晶粒的晶界處液相量也會(huì)增加,導(dǎo)致增韌作用減弱,同時(shí)過量的Zr-SiO4也會(huì)致使晶粒裂紋相互連接并降低斷裂韌性。

2.4 電性能

不同摻入量ZrSiO4的電性能的測試結(jié)果如表4所示。

表4 樣品的電性能測試結(jié)果

圖4是75瓷摻入不同量的ZrSiO4所制備樣品擊穿強(qiáng)度測試結(jié)果。

圖4 樣品的電性能測試結(jié)果

從圖4可以看出,隨著ZrSiO4摻入量的增加,擊穿強(qiáng)度先增加后減小。當(dāng)75瓷中摻入2%的ZrSiO4時(shí),擊穿強(qiáng)度達(dá)到最大值34.4 k V/mm。而未摻入Zr SiO4的75瓷樣品的擊穿強(qiáng)度為25.2 k V/mm。兩者相比,摻入2%的ZrSiO4樣品的擊穿強(qiáng)度提高了36.5%。這是因?yàn)殡S著ZrSiO4摻入量的增加,燒結(jié)過程中的液相量增加,能夠有效促進(jìn)氧化鋁陶瓷的致密化進(jìn)程,加速陶瓷晶粒間隙中氣孔的排出,細(xì)化陶瓷晶粒,有利于得到致密化程度高的75氧化鋁陶瓷,電擊穿是在高壓下進(jìn)行的,影響電擊穿的主要就是陶瓷的密度,致密的氧化鋁陶瓷能夠有效抑制離子的遷移,提高擊穿強(qiáng)度。隨著ZrSiO4的增加,過多的液相物質(zhì)會(huì)造成氧化鋁陶瓷氣孔無法及時(shí)排出,不利于陶瓷致密化,從而導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度降低。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)75瓷摻入適量的ZrSiO4時(shí),能夠有效改善氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)ZrSiO4摻入量為2%時(shí),氧化鋁陶瓷晶粒被細(xì)化,晶粒尺寸最小且尺寸均一。

(2)當(dāng)ZrSiO4摻入量為2%時(shí),體積密度達(dá)到最大值為3.31 g/cm3,吸水率最小為0.18%,抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最大值為228.49 MPa和4.85 MPa·m1/2,擊穿強(qiáng)度達(dá)到最大值34.4 k V/mm,相比未摻入ZrSiO4樣品的擊穿強(qiáng)度提高了36.5%。