新闻中心

新闻中心

News

氧化铝陶瓷材料低温烧结实验探究

时间:2024-03-12 00:00

来源:


氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度高、高温绝缘性能好、耐腐蚀等特性,广泛应用于机械、电子及化学工程等领域 。然而,氧化铝的高熔点也导致其烧结温度较高。因此,添加剂经常用于降低氧化铝陶瓷 烧结温度,并且氧化铝陶瓷的烧结温度与其纯度成正比。

氧化铝陶瓷烧结主要受两个方面因素影响:

①氧化铝晶体原子半径小,离子键强大,导致低扩散困难, 烧结温度较高;

②烧结过程中后期,对晶粒生长有很大影响。此时晶粒可能异常生长,导致结构不均匀, 甚至出现大的内部封闭气孔,降低了晶粒间的结合强度,导致材料的性能下降。 

目前有 3 种主要方法可以降低氧化物的烧结温度铝:

①减小氧化铝粉末的粒度;

②采用其他先进烧结技术;

③加入烧结助剂。 

烧结助剂由于操作简单、成本低、效率高,成为降低氧化铝陶瓷烧结温度的最佳技术之一。通过改性掺杂工艺,还可显著提高氧化铝陶瓷的电工性能。

烧结助剂主要通过与氧化铝基体形成固溶体。增加晶格畸变,提高扩散速率,降低氧化铝陶瓷的烧结温度。

这类添加剂常见的有 MnO2 、TiO2 、Fe2O3 等, 它们具有与氧化铝相似的晶格常数,并且可以与氧化铝形成不同类型的固溶体。例如,Fe2O3 和 Cr2O3 可以与氧化铝形成无限固溶体,MnO2 和 TiO2 可以与氧化铝形成有限固溶体,而且这类添加剂大多含有变价元素,变价效应增强了晶格畸变,烧结过程中质点扩散或界面移动,促进了晶格活化,改善了基体烧结性能。 

此外,添加剂本身或添加剂与氧化铝基体之间在高温下形成液相,通过溶解 - 沉淀机制促进烧结,液相的产生,是降低氧化铝陶瓷烧结温度的主要因素。这类添加剂以碱土金属氧化物 CaO、MgO 等为主,晶体多为立方堆积结构。因其与基体晶体结构不同,很难溶入氧化铝晶格中,只能以杂质形式聚集在晶界处。当烧结温度达到添加剂熔点或共溶温度时,开始出现液相,促进了烧结体中质点的迁移、扩散,改善了氧化铝陶瓷烧结性能。在基体中加入一种或多种这类添加剂,能够形成二元、三元或者更复杂的低共熔物,获得稳定的液相。

本文拟采用固相法及水热法,制备具有较低熔点的 CaMgSi2O6和 CaTiO3 ,并将其按1∶1 比例进行复合, 作为氧化铝陶瓷的烧结助剂,研究其对氧化铝陶瓷烧结性能及强度的影响。

1 原材料及试验方法 

1.1 固相法制备 CaMgSi2O6和 CaTiO3

按摩尔比 1∶1∶2 准确称取化学纯碳酸钙、碳酸镁及 SiO2 试剂,并将其置于玛瑙罐中,加蒸馏水至球磨罐容积 80% ,在行星式球磨机中研磨 2 h。球磨结束后,将样品倒入烧杯中,于干燥箱内 120℃ 干燥,干燥后的样品于箱式电阻炉中 850℃ 烧结 1.5 h,获得 CaMgSi2O6样品。

按摩尔比 1∶1 准确称取化学纯 CaCO3 和 TiO2 ,将 其置于球磨罐中,采用湿法球磨,加蒸馏水至球磨罐容积的80% ,球磨时间为2 h。球磨结束后,将样品倒入烧杯中,于干燥箱内 120℃ 进行干燥。干燥后的样品在箱式电阻炉中 850℃ 烧结 1.5 h,获得 CaTiO3样品。

1.2水热法制备 CaMgSi2O6和 CaTiO3

按摩尔比 1∶1∶2 准确称取分析纯氯化镁、氯化钙、正硅酸乙酯等试剂,加入适当过量的尿素和去离子水,将其置于烧杯中磁力搅拌 0.5 h 后装入反应釜中,反应物水溶液体积占反应釜容积的 80% ,旋紧反应釜盖后,使其在 160℃反应 12 h。反应完成后,取出样品进行洗涤、干燥,获得 CaMgSi2O6样品。

按摩尔比 1∶1 准确称取分析纯试剂氯化钙和钛酸四丁酯,加入适当过量的尿素和去离子水,将其置于烧杯中磁力搅拌 0. 5 h 后装入反应釜中,反应温度及时间与水热法制备 CaMgSi2O6样品一致。反应结束经洗涤、干燥后得到 CaTiO3 样品。

1.3低温烧结氧化铝陶瓷材料的制备 

将固相法制备的 CaMgSi2O6和 CaTiO3 以 1∶1 比例进行混合,本文称为助剂 a;将液相法制备的 CaMgSi2O6和 CaTiO3 以 1∶1 比例进行混合称为助剂 b。以 Al2O3 质量为基准,分别加入 8% 、10% 、12% 及 14% 的助剂 a 或助剂 b,将成型后的粉体在 1350℃ 烧结 6 h 后,得到 Al2O3 陶瓷。

1.4 材料结构与性能测试

烧结后的 Al2O3 陶瓷通过扫描电子显微镜 (SEM,日本日立公司 S - 3400N)对其断面微观结构进行观察,通过 X 射线衍射(XRD,德国 Bruker 公司 D8 advance)对其相组成进行研究,采用数显维氏硬 度计(莱州华银试验仪器有限公司 HVS - 50)测定材 料的硬度,采用液压式万能试验机(长春实验机仪器 有限公司 WE - 100)测定材料抗弯强度。

2 结果与讨论

2.1 材料物相组成分析

分别由固相法和水热法制备的 CaMgSi2O6和 CaTiO3 样品的 XRD 图谱如图 1 和图 2 所示。

从图 1 可看出,固相法制备的样品,除目标产物 CaMgSi2O6 外,还含有部分未参与反应的残余 SiO2 及 CaCO3 和 MgCO3 分解产物 CaO 和 MgO,此外还有部 分中间产物 Mg2SiO4 。图谱中各谱带峰形高而尖锐,半高宽较小,表明产物中各组成物质结晶状况良好, 晶粒较大。液相法产物图谱与固相法相比有较大差别,液相法图谱表明,产物中除包含目标产物 CaMgSi2O6外,还有部分未残余反应的 SiO2 及中间产物 Mg2SiO4 ,但残余 MgO 及 CaO 在图谱中基本检测不到。此外,液相法制备产物 XRD 图谱中,谱带峰形出现一定程度宽化,半高宽较大,晶粒较小。 

从图 2 可以看出,固相法制备产物中除目标产物 CaTiO3 外,还有一定量的 CaO 及 TiO2 、Ti3O5 、Ti7O13等钛的氧化物。图谱中各衍射峰峰形较窄,半高宽较小,表明产物中各组成化合物晶体发育较好,结晶度 较高,晶粒较大。而液相法制备产物中,除包含 CaTiO3 外,同样也含有一定量钛的氧化物。但种类较固相法少,而且产物中 Ti7O13 衍射峰的衍射强度与固相法相比存在显著差异,表明制备方法对产物晶体结构具有较大的影响。 

 

从图 2 可以看出,固相法制备产物中除目标产物 CaTiO3 外,还有一定量的 CaO 及 TiO2 、Ti3O5 、Ti7O13等钛的氧化物。图谱中各衍射峰峰形较窄,半高宽较小,表明产物中各组成化合物晶体发育较好,结晶度 较高,晶粒较大。而液相法制备产物中,除包含 CaTiO3 外,同样也含有一定量钛的氧化物。但种类较固相法少,而且产物中 Ti7O13 衍射峰的衍射强度与固相法相比存在显著差异,表明制备方法对产物晶体