La2O3掺杂对氧化铝陶瓷耐磨性的影响

吴洋 李文杰

摘 要：本文研究了添加稀土La2O3对氧化铝陶瓷球耐磨性能的影响，结果表明：添加适量的稀土La2O3有利于提高氧化铝陶瓷球的体积密度和耐磨性能，当掺量为1.6wt%时，试样的磨损率降到最低，仅为0.0393‰。

关键词：氧化铝陶瓷；耐磨性能；体积密度；影响

1 引言

近年来，稀土化合物的运用越来越广泛，特别是在新型的陶瓷领域，科学工作者发现，添加少量或者微量的稀土元素能够极大地提高陶瓷的性能。因此，稀土元素作为一种“工业维生素”正越来越受到各国科研工作者的青睐[1-3]。实际上，早在20世纪30年代，国外的工作者就将稀土材料运用到陶瓷工业之中，而我国的起步则较晚，直至20世纪70年代才开始这方面的研究。大量的实践证明，稀土化合物作为稳定剂、烧结助剂加入到陶瓷材料中，可以极大地改善陶瓷的机械性能，并且降低烧结温度，节约成本。

稀土材料主要是作为添加剂来改善陶瓷的显微结构、致密性和烧结温度，从而改善其理化性能。吴伯麟[4，5]等发现添加稀土化合物钐和镨对氧化铝陶瓷耐磨性能有影响，并对影响机理做了深入的分析。穆柏春[6]等研究了添加稀土La2O3、Y2O3的碳化硼陶瓷，发现稀土化合物的添加不仅降低了陶瓷的烧结温度，而且在其烧结过程中形成了晶界间相钇铝石榴石和LaAlO3，这些稀土相的形成提高了陶瓷的抗折强度和断裂韧性。南京工业大学的姚义俊[7]等研究了在氧化铝陶瓷中添加Y2O3、La2O3、Sm2O3等稀土氧化物，实验发现，三种稀土添加剂均促进了氧化铝陶瓷的烧结，提升了其力学性能。牛新书[8]等用溶胶凝胶法制备掺杂Y2O3、La2O3、CeO2的ZnO气敏元件，大大改善了陶瓷的气敏性能。

本文以CaO-MgO-Al2O3-SiO2体系为基体，研究了稀土La2O3对氧化铝陶瓷耐磨性能的影响，通过对烧结温度、体积密度和耐磨性能的试验与测试，结合物相分析，探究稀土La2O3对氧化铝陶瓷耐磨性能影响机理。

2 实验内容

2.1 样品制备

本实验以MgO-CaO-SiO2-Al2O3为基体（其中Al2O3为98wt%，其余烧结助剂的含量为2wt%），研究添加稀土La2O3对氧化铝陶瓷耐磨性能的影响，制备了五组陶瓷试样，分别编号为L00、L02、L08、L16、L24。其化学组成如

表1所示。

将所用原料按照化学计量比精确称量，置于球磨罐中，在滚筒球磨机中球磨30 h，球磨后的料浆置于烘箱中烘干，造粒；然后将得到的粉料置于冷等静压机中，在100 MPa下保压10 min；脱模之后，将试样置于电阻炉中在一定的温度下烧结，保温一段时间后取出做性能测试。

2.2 试样的性能表征

本实验对样品的体积密度、磨损率做了表征，并利用X射线衍射分析仪对试样做了物相分析。其中，体积密度用阿基米德排水法来测定，磨损率按照建材部标准JC/T848.1.1999 [9]测量，其计算公式如下：

EWT= （1）

式中：EWT—样品的当量磨耗，‰；

K—修正系数，K=4.17×10-4 mm-1；

M1—磨前的质量，g；

M2—磨后的质量，g；

D—球的平均直径，mm。

3 结果与讨论

3.1 La2O3添加量对氧化铝陶瓷体积密度的影响

图1是氧化铝陶瓷的体积密度随烧结温度变化的关系。由图1可知，随着烧结温度的升高，各组陶瓷试样的体积密度逐渐升高，当掺入稀土氧化物之后，试样的体积密度随着掺量的增加先升高后降低。

在烧结初期，随着温度的升高，晶粒逐渐长大，气孔逐渐缩小，试样的密度迅速提升；随着烧结的继续进行，孤立的气孔扩散到晶界后被消除，同时晶粒继续均匀长大，直至致密化，在这一过程中，陶瓷的密度略微升高；继续升温则是单纯的晶界移动、晶粒长大的过程，密度曲线趋于平缓。对比各试样烧成点的体积密度，可以清楚地看到：La2O3掺入量在0.2～1.6wt%时，各试样烧成点体积密度随着掺入量的增加而增大，且都比试样L00烧成点的体积密度大；但是当La2O3掺入量达到2.4wt%时，试样烧成点的体积密度不升反降，初始烧结温度高达1575 ℃，较之未添加La2O3试样高了近80 ℃。出现上述现象的可能原因：稀土氧化物具有玻璃网络结构[10]，比其他类型添加剂的分子体积更大，稀土La3+离子半径为0.122 nm， Al3+离子半径为0.057 nm，半径差距太大致使La2O3在Al2O3固溶量很少[10]。当添加少量La2O3，可以降低烧结过程中所形成的液相的粘度[11]，加快气孔排除速率，减少陶瓷体中的闭口气孔数，从而提高陶瓷体密度。当La2O3添加量增大时，高熔点的稀土氧化物提升了陶瓷的烧结温度，对陶瓷瓷体的致密化造成不利影响；另一方面，由于稀土离子半径大，在一定程度上阻碍了其它离子的迁

移[12]，造成晶界迁移速率降低，陶瓷致密化过程受阻，不利于陶瓷的烧结。实验结果分析表明，适量地添加La2O3对提高陶瓷致密性有利，最佳添加量范围是0.2～1.6wt%。

3.2 La2O3添加量对氧化铝陶瓷耐磨性能的影响

实验对比了5组试样的磨损率，试样的磨损率随烧成温度的变化曲线如图2所示。

从图2可以看出，所有试样磨损率与烧结温度的曲线形状近似“U”字状，磨损率随着烧结温度的升高呈现出先降低后升高的变化趋势。这种变化趋势说明试样在所选烧结温度范围有最低磨损率点存在。试样L00最低磨损率点出现在1550 ℃，磨损率为0.0614‰；试样L02、L08、L16在1575 ℃、1575 ℃和1600 ℃下，对应的磨损率分别是0.0579‰、0.0489‰和0.0393‰；而试样L24在1620 ℃磨损率最低，为0.0483‰。很显然，添加La2O3的陶瓷试样的磨损率更低，其中试样L16磨损率最低。分析结果表明添加稀土La2O3能够降低氧化铝陶瓷的磨损率，提高陶瓷的耐磨损性能；且稀土La2O3的添加量的控制极为重要。

出现这种变化的可能原因是添加稀土氧化物之后，整个陶瓷组分由四元变为五元系统，使得系统的最低共熔点有所降低，加速传质过程，从而能提高陶瓷的致密度，促进了烧结；然而，随着高熔点的稀土化合物的掺量增加，陶瓷的初始烧结温度升高，从理论上说，烧结温度的升高有利于陶瓷的致密化，但是高温也会引起晶粒的异常长大，当较高的烧结温度带来正面影响不足以抵消诸如晶粒异常长大等所带来的负面效应时，则宏观表现为陶瓷的耐磨性能降低[10]。所以，随着掺量的增加，陶瓷的耐磨性能先升高后降低。

3.3 氧化铝陶瓷的物相分析

图3是三组试样L00、L08、L16的XRD曲线。由图3可清楚地看到，所有试样的主晶相均为刚玉（α-Al2O3），次晶相为LaAl11O18和MgAl2O4。对比未添加La2O3试样L00和其他2组添加了La2O3的试样L08、L16的XRD图谱可看到，添加La2O3试样的XRD谱图中明显有LaAl11O18物相的特征峰出现，并且LaAl11O18物相峰的相对强度值随着La2O3添加量的增多而增大。

据文献[13]报道，La2O3在Al2O3中的固溶量约为500 ppm。因此La2O3主要与Al2O3反应生成LaAl11O18晶界相，抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用，细小的晶粒有利于分散晶粒各向异性生长所导致的应力集中，有效地提高陶瓷晶界结合强度和断裂韧性[14]，这有助于材料耐磨性能的提高[15]。但是，随着高熔点稀土氧化镧的掺量增加达到2.4wt%时，陶瓷的初始烧结温度已达到1575 ℃，晶界间相对晶粒抑制作用不足以抵消温度升高对晶粒长大作用带来影响时，宏观表现为陶瓷耐磨性能的降低。

4 结论

（1） 添加适量的稀土La2O3有利于提高氧化铝陶瓷的体积密度。

（2） 添加适量的稀土La2O3有利于提高氧化铝陶瓷的耐磨性能，当掺量为1.6wt%时，陶瓷的磨损率降到最低，为0.0393‰。

（3）添加稀土La2O3能够与Al2O3生成晶界间的化合物LaAl11O18，强化了晶界结合强度，陶瓷的耐磨性能得以提高。

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