高致密度氧化鋁陶瓷的制備及影響因素研究

李偉華 , 王成斌* , 王旭東 , 夏 熠 , 諶夢雨 , 母佰龍 , 朱鞏雨

(1.鄭州經(jīng)緯科技實(shí)業(yè)股份有限公司 , 河南 鄭州 450001 ; 2.河南工業(yè)大學(xué) , 河南 鄭州 450001)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)氧化鋁陶瓷材料的性能要求越來越高。氧化鋁陶瓷的致密度極大地影響了陶瓷件的性能,高致密度的氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、氣孔率低、氣孔小、絕緣度高、介質(zhì)損耗低等優(yōu)良的性能,在醫(yī)學(xué)、紡織、造紙、電子、汽車、石化、機(jī)械密封等領(lǐng)域使用前景廣闊[1-3]。

本研究以易燒結(jié)α-氧化鋁粉為主體材料,具有高活性的鋁灰基鋁鎂料為復(fù)合燒結(jié)助劑,研究分散劑、黏結(jié)劑、干壓成型、燒結(jié)工藝等對(duì)材料性能的影響,制備高致密氧化鋁陶瓷材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用主要原料為原晶粒度小、轉(zhuǎn)化率高的易燒結(jié)α-Al2O3粉。為了減少氧化鋁陶瓷中的氣孔率,外加助劑的使用起到?jīng)Q定性作用[4]。本實(shí)驗(yàn)助劑選用了復(fù)合燒結(jié)助劑(高活性鋁灰基鋁鎂料)以及有機(jī)添加劑(工業(yè)級(jí)),如分散劑、黏結(jié)劑等。其中高活性鋁灰基鋁鎂粉料是通過優(yōu)選工業(yè)鋁灰,經(jīng)過高溫固相活化及添加除雜劑脫除雜質(zhì)制備而成,其典型特征是結(jié)構(gòu)疏松,表面缺陷多,燒結(jié)活性大。所用易燒結(jié)氧化鋁粉(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司)和高活性鋁灰基鋁鎂料(鄭州經(jīng)緯科技實(shí)業(yè)股份有限公司)的化學(xué)成分如表1所示。

表1 原料主要化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

試樣制備:將α-Al2O3粉體、復(fù)合添加劑和水按一定比例混料,加入適量的分散劑、黏結(jié)劑,在研磨機(jī)上球磨,檢測粒度,漿體經(jīng)過處理后,造粒、制樣,在高溫電爐進(jìn)行燒結(jié),后取出進(jìn)行性能檢測。

檢測方法:借助熒光分析樣品的化學(xué)成分;利用粒度分析儀BT9300S分析樣品的粒度;采用阿基米德排水法,利用顯氣孔體密測定儀檢測試樣的體積密度,設(shè)備型號(hào)XQK-04;用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試試樣三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度(GB/T6569-2006),設(shè)備型號(hào)UTM-3404;利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品的形貌,所用的器材是荷蘭PHILIPS公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡(FEI,INSPECTF50)。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑對(duì)料漿性能的影響

高效分散劑可對(duì)原料粉體進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娓男?降低高價(jià)反離子雜質(zhì)濃度,防止已經(jīng)打開的晶體再次團(tuán)聚,使物料粒度變細(xì)[5-6]。表2為不加分散劑(NDIS)及加入不同類型分散劑DIS-Ⅰ、DIS-Ⅱ后的漿體粒度。

表2 分散劑對(duì)料漿粒度的影響

從表2可知,加入分散劑后粒度明顯變細(xì)。不加分散劑時(shí)D50為1.47 μm,加入DIS-Ⅰ后為0.97 μm,加入DIS-Ⅱ后D50變?yōu)?.98 μm,D98降為6.87 μm,DIS-Ⅱ的性能優(yōu)于DIS-Ⅰ。表3為加入不同含量的DIS-Ⅱ后漿體24 h研磨后粒度變化趨勢。

表3 不同含量的分散劑DIS-Ⅱ粒度對(duì)比

從表3中看出,隨著分散劑加入量逐步增加,粉體粒度變得越來越小,從加入量0.2%到0.6%的過程中,粒度變化明顯,D50由1.06 μm降為0.91 μm,D98由7.61 μm降為6.38 μm,隨后從加入量0.6%到加入量1.0%過程中,變化不明顯,粒度基本不再減小。因此,選用分散劑加量為0.6%。

2.2 黏結(jié)劑加入量對(duì)坯體密度的影響

特種陶瓷干壓成形時(shí)首先需要對(duì)符合要求的陶瓷粉末進(jìn)行造粒,然后壓制成型。黏結(jié)劑主要起黏合作用,增大假顆粒粒徑,增加顆粒強(qiáng)度,而黏結(jié)劑的含量則影響著造粒粉的性能[7]。表4為加入不同含量黏結(jié)劑PVA時(shí)的Al2O3坯體密度。

表4 加入不同含量PVA的坯體密度 kg/L

由表4可知,隨著PVA含量的增加,坯體的密度增大,在加入量為1.0%時(shí)坯體的密度最大。

當(dāng)PVA達(dá)到一定含量時(shí),進(jìn)一步增加PVA,包裹在顆粒外層的PVA厚度增大,顆粒之間的距離加大,坯體的密度降低,毛細(xì)管力降低,坯體強(qiáng)度下降。此外,隨著PVA含量增大,造粒得到的顆粒團(tuán)聚體強(qiáng)度增大,壓制的坯體中含有未被壓碎的殘余顆粒團(tuán)聚體,使坯體存在較大內(nèi)部缺陷。又由于黏結(jié)劑含量高,燒結(jié)后陶瓷的氣孔率增加,在保證坯體的密度和強(qiáng)度并且不存在殘余顆粒團(tuán)聚體的前提下,黏結(jié)劑含量越少越好。

2.3 壓力對(duì)坯體密度的影響

干壓成形具有黏結(jié)劑含量低,不經(jīng)干燥可直接燒結(jié),生產(chǎn)工序簡單,效率高,坯體收縮小,可自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。高致密的坯體可以減小顆粒間氣孔直徑,促進(jìn)燒結(jié),降低燒結(jié)溫度,還有利于提高陶瓷材料的燒結(jié)致密度及性能[8]。干壓成型時(shí),壓力隨坯體高度增大而呈指數(shù)衰減,形成一個(gè)密度梯度,同時(shí)粉末顆粒之間、粉體與模具壁之間,都存在內(nèi)外摩擦而導(dǎo)致坯體密度分布不均勻。為了得到致密度高且缺陷少或無缺陷的坯體,壓力的選擇非常重要[9]。壓力太小,坯體達(dá)不到最大致密化,以至于影響燒結(jié)致密化過程;壓力過大,會(huì)由于坯體彈性效應(yīng)引起層裂,從而導(dǎo)致坯體密度降低;只有壓力適中,才會(huì)壓制出理想的坯體[10]。

圖1為加入不同含量PVA,保壓7 s時(shí),Al2O3粉體壓型后坯體密度隨壓制壓力的變化曲線。可見Al2O3坯體密度隨著壓力的增大而增大。壓力加大時(shí),顆粒開始滑動(dòng),呈緊密狀態(tài)堆積,密度逐漸提高。當(dāng)壓力達(dá)到40 MPa之前,坯體密度隨壓力變化明顯逐步增加;40 MPa之后,壓力繼續(xù)增大對(duì)坯體密度影響不大。

圖1 坯體密度隨壓力變化曲線圖

2.4 保壓時(shí)間對(duì)坯體密度的影響

保壓時(shí)間對(duì)Al2O3坯體性能有很大影響,若保壓時(shí)間縮短,說明加壓過快,氣體不易排出。同樣,當(dāng)壓力沒有傳遞到應(yīng)有的深度時(shí),外力就已消失,也難以得到理想的坯體質(zhì)量。當(dāng)然,若加壓速度太慢,保壓時(shí)間過長,則會(huì)降低生產(chǎn)效率。故應(yīng)根據(jù)Al2O3坯體的體積、厚薄和形狀來調(diào)整加壓速度和保壓時(shí)間。

圖2是壓力為30、40、50 MPa時(shí),坯體密度隨保壓時(shí)間變化曲線。

圖2 坯體密度隨保壓時(shí)間變化曲線

從圖2可以看出,隨著保壓時(shí)間t延長,Al2O3坯體密度不斷提高;當(dāng)保壓時(shí)間超過7 s后,Al2O3坯體密度不再明顯提高。一般對(duì)于壁厚度大、高度大、形狀較復(fù)雜的大型產(chǎn)品,開始加壓時(shí)宜慢,中期可快,后期宜慢,并有一定的保壓時(shí)間,這樣,有利于氣體的排出和壓力的傳遞。對(duì)于小型薄片坯體,加壓速度可以適當(dāng)加快,以提高生產(chǎn)效率。

2.5 燒成溫度對(duì)力學(xué)性能影響

試樣在不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 試樣在不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出,隨著溫度的升高,樣品的各項(xiàng)性能參數(shù)不斷提高,在1 650 ℃時(shí),達(dá)到最佳,此時(shí)體積密度為3.87 kg/L,抗彎強(qiáng)度為397 MPa,超過1 650 ℃,體積密度和抗彎強(qiáng)度開始下降。雖然1 650 ℃和1 700 ℃燒結(jié)時(shí),坯體密度相差不大,但是抗彎強(qiáng)度卻差別明顯。故燒成最好的條件為是溫度1 650 ℃,保溫時(shí)間1.5 h。此外,還要注意制品的加熱速度,加熱速度慢時(shí),坯體內(nèi)外溫度差小,產(chǎn)品燒結(jié)良好、體積密度大;加熱速度若超過200 ℃/h以上時(shí),坯體內(nèi)外溫度差較大,產(chǎn)品燒結(jié)性能較差,亦產(chǎn)生開裂。

2.6 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖3為不同燒結(jié)溫度下的配方樣品的SEM照片。1 550 ℃燒后試樣的體積密度為3.73 kg/L,抗彎強(qiáng)度為343 MPa,從對(duì)應(yīng)的顯微結(jié)構(gòu)圖中可以看出未充分燒結(jié),晶粒排列疏松,還有部分晶粒未完全長大,且晶內(nèi)和晶間的微孔較多,還具有一定的燒結(jié)空間。1 650 ℃燒后,氧化鋁晶體發(fā)育良好,晶粒于晶粒之間連接緊密,沒有細(xì)小晶粒,未出現(xiàn)晶粒的異常長大現(xiàn)象,體積密度3.87 kg/L,抗彎強(qiáng)度最佳為397 MPa。1 700 ℃燒后的SEM圖中看出,燒結(jié)過程中出現(xiàn)了晶粒異常長大的現(xiàn)象,且晶內(nèi)和晶間的氣孔較多,由于燒結(jié)溫度過高,會(huì)引起晶粒過分長大,或個(gè)別的晶粒異常長大,導(dǎo)致重結(jié)晶的產(chǎn)生,同時(shí)這些封閉的微孔導(dǎo)致材料的抗彎強(qiáng)度下降,從而使材料的強(qiáng)度降低[11]。

圖3 不同溫度下的陶瓷材料SEM照片

3 結(jié)論

利用易燒結(jié)α-Al2O3粉,鋁灰基高活性鋁鎂料為主要原料制備高致密氧化鋁陶瓷。研究結(jié)果表明用高活性鋁灰基鋁鎂料作添加劑,通過選擇合適的分散劑、調(diào)整黏結(jié)劑加入量、調(diào)整成型壓力、保壓時(shí)間、優(yōu)化制備工藝,經(jīng)1 650 ℃高溫?zé)Y(jié),制備高致密氧化鋁陶瓷材料,在技術(shù)上是可行的。該材料體積密度3.87 kg/L,收縮率18.32%～18.41%,抗彎強(qiáng)度397 MPa,具有優(yōu)良的性能。