王佳程,胡繼林,盛 強(qiáng),戴海鐘,梁 波,劉 璇

(湖南人文科技學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 婁底 417000)

氧化鋁陶瓷是一種以α-Al2O3為主晶的陶瓷材料,其含量一般在75%~99.9%之間。氧化鋁陶瓷具有高機(jī)械強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性,以及高絕緣電阻、低介電損耗、耐熱性好等優(yōu)異特性,同時(shí)具有較低的制備成本,被廣泛應(yīng)用在紡織、化工、石油、電子等眾多領(lǐng)域[1－3]。氧化鋁的含量不同,其性能和用途也各不相同。利用其機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣電阻較大的性能,可以用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和固體電路外殼、火花塞絕緣體等;利用其強(qiáng)度和硬度高的性能,可以用作磨料磨具、紡織瓷件、刀具等;利用其化學(xué)性能穩(wěn)定的性能,可以用作化工和生物陶瓷、人工關(guān)節(jié)、代替鉑坩堝、催化載體,以及航空、磁流體發(fā)電材料等[4－6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高,新品種不斷出現(xiàn),氧化鋁陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

氧化鋁陶瓷由于其熔點(diǎn)高達(dá)2 050 ℃,在其配方體系中通常需要通過添加一定量的燒結(jié)助劑來降低其燒結(jié)溫度。目前降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度的方法主要有三種:(1)細(xì)化原料粉體的細(xì)度。采用粒度小、比表面積大、表面活性高的氧化鋁超細(xì)粉末為原料,可以顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度;(2)采用特殊的燒結(jié)工藝。目前主要采用的低溫?zé)Y(jié)工藝包括熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波加熱燒結(jié)、微波等離子體燒結(jié)以及放電等離子體燒結(jié)等,可以起到降低燒結(jié)溫度的作用;(3)添加燒結(jié)助劑。采用不同的設(shè)計(jì)配方,在原料中引入添加劑,通過不同的作用機(jī)理實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷的低溫?zé)Y(jié)[7]。與其他方法相比,引入燒結(jié)助劑的方法具有成本低、效果好、工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),是目前比較有效的一種低溫?zé)Y(jié)方法[8]。

由于氧化鋁陶瓷器件在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到各種環(huán)境因素的作用,因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其耐腐蝕性進(jìn)行了較多的研究。研究表明,氧化鋁對(duì)酸表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐腐蝕性,但耐堿腐蝕性則稍差,其耐腐蝕性與材料自身的鋁含量、密度、孔徑分布、燒結(jié)溫度等有關(guān)[9－10]。為進(jìn)一步提高氧化鋁基陶瓷的抗堿腐蝕性能,擴(kuò)大該類陶瓷材料的應(yīng)用范圍,本研究擬在氧化鋁基陶瓷配方體系中,引入堇青石、莫來石等原料,探討配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁基復(fù)相陶瓷力學(xué)性能和抗堿腐蝕性能的影響。

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)配料與球磨:使用電子分析天平按照實(shí)驗(yàn)配方分別稱樣(配方見表2),然后以氧化鋯瓷球?yàn)檠心ンw,加入水為研磨介質(zhì),將粉料以料:球:水質(zhì)量比1∶1∶1.5配比于行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨混料2 h,將漿料在100℃干燥箱中干燥24 h。

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

(2)壓制成型:將干燥粉末與聚乙烯醇粘結(jié)劑溶液(聚乙烯醇與水的質(zhì)量比為4∶96)按照一定比例混合均勻(聚乙烯醇溶液用量見表3),然后經(jīng)過悶料24 h、研磨過40目篩、40 MPa下壓制成型后在干燥箱中100 ℃下干燥24 h。

表3 聚乙烯醇溶液用量 單位:g

(3)陶瓷燒結(jié):將上述成型并干燥后的樣品按順序放置于陶瓷坩堝中,然后在高溫箱式電阻爐中分別于1 500℃、1 550℃、1 600℃的溫度下保溫2 h進(jìn)行致密化燒結(jié)(升溫速率控制:從室溫升至1 000℃升溫速率為10℃/min,從1 000℃升至最高燒結(jié)溫度升溫速率為4~5 ℃/min),保溫時(shí)間結(jié)束后燒結(jié)樣品隨爐冷卻至室溫。

1.3 性能測(cè)試及表征

用游標(biāo)卡尺測(cè)量陶瓷樣品燒結(jié)前和燒結(jié)后的尺寸,計(jì)算樣品的體積收縮率。使用靜水力學(xué)天平測(cè)量燒結(jié)后陶瓷樣品相關(guān)重量,進(jìn)而計(jì)算出陶瓷樣品的吸水率、氣孔率和體積密度。使用萊州萊化硬度試驗(yàn)機(jī)廠的HRS－150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)試陶瓷樣品的洛氏硬度,每個(gè)樣品選取4個(gè)不同的鉆點(diǎn)測(cè)試,然后計(jì)算其洛氏硬度平均值。使用珠海歐美克科技有限公司生產(chǎn)的Easysizer 20激光粒度分析儀對(duì)原料粉末以及球磨處理后的配方粉末的粒度大小以及分布進(jìn)行表征。

1.4 抗堿腐蝕性能測(cè)試

從燒結(jié)后陶瓷樣品中選出綜合性能相對(duì)較好的5個(gè)樣品進(jìn)行抗堿腐蝕性能實(shí)驗(yàn)。具體操作如下:在陶瓷樣品圓餅上均勻鋪上一層氫氧化鋰粉末,然后將5個(gè)樣品放入馬弗爐中于850℃下保溫8 h。每煅燒一次后將陶瓷樣品圓餅上的粉末清理干凈,再重新補(bǔ)充氫氧化鋰粉末煅燒第2次,重復(fù)以上步驟直到陶瓷樣品表面出現(xiàn)斑點(diǎn)為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度分布分析

各種粉末樣品的粒度分布見表4。其中D10、D25、D50、D75、D90分別代表樣品在分布曲線中累積分布為10%、25%、50%、75%、90%時(shí)的等效直徑,而D50又稱為中位徑,是最重要的一個(gè)粒度核心指標(biāo)。結(jié)果表明,原始單一粉末在球磨前普遍顆粒較大,而4個(gè)配方粉末由于經(jīng)過了球磨細(xì)化處理,其顆粒尺寸大大減小,中位粒徑D50達(dá)到6.01~6.08μm,因此有利于陶瓷的致密化燒結(jié)。

表4 各種粉末樣品的粒度分布 單位:μm

2.2 洛氏硬度分析

硬度是衡量陶瓷材料性能的重要指標(biāo),硬度越高,其抗斷裂和抗變形能力就越強(qiáng)[11]。不同溫度下燒結(jié)后各陶瓷樣品的洛氏硬度測(cè)試結(jié)果見表5至表7,各配方陶瓷樣品在不同溫度燒結(jié)后的洛氏硬度如圖1所示。由表4－表6可知,在1 500 ℃的燒結(jié)溫度下,4號(hào)樣品的硬度最低,為52.2 HRA;在1 600 ℃的燒結(jié)溫度下,2號(hào)樣品的硬度最高,為92.6 HRA。2 號(hào)樣品在1 500℃、1 550 ℃、1 600 ℃下燒結(jié)樣品的洛氏硬度分別為69.9 HRA、78.8 HRA、92.6 HRA,呈逐漸增加的趨勢(shì)。同時(shí)從圖1 可知,隨著溫度的升高,不同配方樣品的硬度都有不同程度的增大,說明在本實(shí)驗(yàn)條件下燒結(jié)溫度越高,樣品的硬度也越高。這是因?yàn)闊Y(jié)過程利于氣孔排出和燒結(jié)致密,燒結(jié)溫度越高,樣品的氣孔就越少,樣品的致密度就越高,其硬度也就越高[12]。綜合對(duì)比可知,2號(hào)陶瓷樣品在1 600 ℃燒結(jié)條件下制得的樣品硬度最高。

圖1 各配方陶瓷樣品在不同溫度燒結(jié)后的洛氏硬度

表5 1 500 ℃下燒結(jié)樣品洛氏硬度 單位:HRA

表6 1 550 ℃下燒結(jié)樣品洛氏硬度 單位:HRA

表7 1 600 ℃下燒結(jié)樣品洛氏硬度 單位:HRA

2.3 體積收縮率分析

體積收縮率是陶瓷材料在燒成過程中產(chǎn)生體積縮減的物理量,是評(píng)價(jià)陶瓷材料質(zhì)量的一種技術(shù)指標(biāo),而體積收縮率與陶瓷的致密性有著密切關(guān)系[13]。陶瓷樣品在1 500℃、1 550℃、1 600℃下燒結(jié)后的體積收縮率測(cè)試結(jié)果見表8。可知,在1 500 ℃的燒結(jié)溫度下,1號(hào)樣品的體積收縮率最低,為9.98%;在1 600℃的燒結(jié)溫度下,2號(hào)的體積收縮率最高,為20.07%。在同一配方下,隨著燒結(jié)溫度的升高,陶瓷樣品的體積收縮率是呈升高趨勢(shì)的。這是因?yàn)闊Y(jié)溫度越高,氧化鋁陶瓷樣品的氣孔排出就越多,氣孔含量就越低,燒結(jié)出來的樣品致密度就越高,所以樣品的體積收縮率就越高。

表8 在不同溫度下燒結(jié)后陶瓷樣品的體積收縮率單位:%

2.4 體積密度、氣孔率與吸水率分析

體積密度、吸水率和氣孔率是決定陶瓷致密度的重要指標(biāo)[14]。陶瓷樣品在不同溫度下燒結(jié)后的體積密度、氣孔率與吸水率測(cè)試結(jié)果見表9至表11所示?？芍?在1 550 ℃的燒結(jié)溫度下,2號(hào)樣品的體積密度最大,為4.30 g·c m－3,在1 500℃的燒結(jié)溫度下,1號(hào)樣品的體積密度最小,為3.75 g·c m－3;在1 500 ℃的燒結(jié)溫度下,3號(hào)樣品的吸水率最大,為2.78%,在1 600 ℃的燒結(jié)溫度下,2號(hào)樣品的吸水率最小,為0.09%;在1 600℃的燒結(jié)溫度下,3號(hào)樣品的氣孔率最大,為10.03%,在1 600℃的燒結(jié)溫度下,2 號(hào)樣品的氣孔率最小,為0.34%。綜合來說,在同一配方下,隨著溫度的升高,樣品的體積密度是呈先升高后降低的趨勢(shì),而吸水率與氣孔率則是呈降低的趨勢(shì)。綜上可知,在1 600℃的燒結(jié)溫度下,2號(hào)樣品的綜合性能最佳。

表9 在1 500 ℃下燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

表10 在1 550 ℃燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

表11 在1600℃燒結(jié)后陶瓷樣品的體積密度、吸水率及氣孔率

2.5 抗堿腐蝕性能分析

本次抗堿腐蝕性能實(shí)驗(yàn)挑選了綜合性能比較優(yōu)異的具有代表性的5個(gè)陶瓷樣品:1號(hào)(1600℃)、2號(hào)(1550℃)、2號(hào)(1600℃)、3號(hào)(1600℃)以及4號(hào)(1600℃)。樣品腐蝕前后照片如圖2所示?？芍?1號(hào)樣品的被腐蝕程度最高,2號(hào)樣品的被腐蝕程度最低。2號(hào)樣品由于在所有樣品中氣孔率最低,致密度最高,綜合性能也是最優(yōu)的,可見陶瓷樣品的抗堿腐蝕性能與其致密度關(guān)系密切[15]。

圖2 陶瓷樣品抗腐蝕性能測(cè)試情況

通過對(duì)比5組陶瓷樣品洛氏硬度的下降情況可以用來判斷其抗堿腐蝕性能。由表12可知,1號(hào)樣品的洛氏硬度下降了16.3HRA,1550℃和1600℃下制得的2號(hào)樣品的洛氏硬度分別下降了30.3HRA和23.8HRA,3號(hào)樣品和4號(hào)樣品的洛氏硬度分別下降了35.1 HRA和29.3 HRA。由此可見,1號(hào)樣品的下降幅度最小,3號(hào)樣品下降幅度最大。但是在1600℃下燒結(jié)制得的2號(hào)陶瓷樣品在第2次腐蝕后仍然有68.8 HRA的洛氏硬度,可見2號(hào)樣品的抗堿腐蝕性能最佳。

表12 陶瓷樣品腐蝕前后的洛氏硬度單位:HRA

3 結(jié)論

(1)隨著燒結(jié)溫度的升高,不同配方樣品的硬度都隨之增大,說明在本實(shí)驗(yàn)條件下燒結(jié)溫度越高,樣品的硬度也越高。如2號(hào)樣品在1500℃、1550℃、1600℃下燒結(jié)樣品的洛氏硬度分別為69.9 HRA、78.8 HRA、92.6 HRA,呈逐漸增大的趨勢(shì)。綜合對(duì)比可知,2號(hào)陶瓷樣品在1600℃燒結(jié)條件下制得的樣品硬度最高。

(2)在1600℃下燒結(jié)的2號(hào)陶瓷樣品的綜合性能最好,其洛氏硬度為92.6HRA,體積密度為3.92 g/cm3,吸 水 率 為0.09%,氣 孔 率 為0.34%。在1600℃下燒結(jié)的2號(hào)樣品的抗堿腐蝕性能最佳,該陶瓷樣品在經(jīng)過兩次抗堿腐蝕后其洛氏硬度為68.80 HRA。復(fù)相陶瓷樣品的抗堿腐蝕性能與它的致密度有關(guān),致密度越高,抗堿腐蝕性能越好。