细晶结构氧化铝陶瓷材料研究

朱军 浦雪琴 薛志岗 郑兴益

摘 要 采用不同的添加剂以等静压成型高温烧结制作试样，对高纯氧化铝陶瓷进行晶粒细化结构研究。对试验样品进行了物理性能测试和SEM观察，对晶体的长大控制以及添加剂作用机理进行分析探讨。结果显示：适合的添加剂及用量、合适的工艺可以获得小于5μm的细晶结构氧化铝陶瓷。

关键词 添加剂；细晶结构；氧化铝陶瓷

0 前 言

研究表明，氧化铝陶瓷晶粒细化可以提高性能，使晶界物质的内应力降低，不易造成穿晶断裂，提高材料的密度、机械性能及化学性能，显著降低烧成温度达到节能目的，不断地晶粒细化是对氧化铝陶瓷是比较难的。首先，纳米级微细的α-Al2O3价格高而且容易团聚不易分散；其次，细料有较高的表面活性，在烧结过程中易产生化学反应造成晶粒异常长大。有报道显示，加压快烧也是是获得细晶陶瓷的一种方法，实现晶粒尺寸达到1～2μm。但是只适用于形状简单陶瓷结构件。因此选用适当的添加剂以细化晶粒结构并降低烧成温度受到了广泛的关注。MgO、Y2O3等几种添加剂有较好的细化晶粒效果。一般来说有以下两种作用，其一，与Al2O3在晶界形成第二相以抑制晶料生长使结构晶体得以细化，或提高Al3+离子的缺陷浓度，加速Al3+離子的晶格扩散提高结构密度；其二，弥散颗粒、电畴运动来韧化氧化铝陶瓷等。本研究主要选用不同添加剂制备性能较好的细晶结构氧化铝陶瓷。

1 试 验

1.1 试验原料

α-Al2O3，粒度1～3μm，纯度99.90%，马丁铝业公司。MgO为工业纯，La2O3、Y2O3为化学纯。分散剂为A115，粘结剂为PVA19-88。

1.2 试验过程

以99%Al2O3为基础，以正交配方进行添加剂优化组合，添加剂采用外加式引入，加水球磨成浆料，喷雾造粒，100MPa等静压成型，采用电推板窑1 570C°高温烧结，精磨加工成10×5×110mm试样进行性能测试。

2 物理性能测试结果

2.1六个配方试样的硬度及抗折强度测试

抗折强度测试仪：502型；测试方法：三点垂直压折法。

2.2 SEM测试分析

SEM：F-20000扫描仪；试样断面扫描结果见图1-6。

3 结果分析与讨论

3.1结果分析

由表1和SEM图可以看出，添加剂加入量不大于1%的情况下，1#样品硬度HRA为81，由SEM照片可以看出某些晶粒边缘有细长微晶1～5μm出现，大小差别明显，且有明显空隙；2#添加剂样品采用全稀土元素进行了实验，硬度密度略有提升，SEM照片显示稀土对细化晶粒作用明显，晶粒2～3μm，但是内部颗粒容易有团聚，产生小的分裂；3#样品密度强度明显增加，SEM显示其结构晶体中存在明显的第二相，并且第二相多为球形；添加剂加入量不大于0.7%的情况下，4#样品密度、硬度和强度中等，其SEM显示其中有包晶形成且晶粒不正常长大现象，部分晶粒较为粗大，大于10μm，颗粒大小也不均匀。5#样品硬度和强度比2#样有所增加，SEM图可以看出晶粒成长较为均匀，粒径3～7μm。6#试样的密度、硬度和强度达到相对最高水平，由其SEM图可以看出其晶粒细小且分布均匀，粒径1～3μm。系列实验显示，添加剂对降低烧结温度似有作用。由于该系列引入了少量MgO和稀土元素，使得晶粒较为细小，4#呈圆形小颗粒的第二晶相主要是MgAl2O4，而其他元素也有可能形成固溶形式进入主晶相。

通过添加剂优化法组合系列实验，取得较为明显效果，最小平均晶粒1～μm左右，抗弯强度等机械性能也达到氧化铝陶瓷材料较为理想的技术性能。

3.2 添加剂作用机理分析讨论

上述分析表明，引入不同类型的添加剂或添加剂的组合方式不同，作用效果差异较大。一般来说添加剂可以分为两类，一类是与Al2O3能够生成固溶体的，如Y2O3的添加，不仅加快烧结时气孔的逸出，还能与Al2O3生成固溶体，限制Al2O3晶粒快速长大，并增加韧性。第二类是能够生成液相的，如MgO能和Al2O3等其它添加剂生成二元、三元低共融物，只要局部范围内满足MgO和Al2O3比例适配，新晶相MgAl2O4便易于从熔体中析出生成第二相，起到钉扎作用限制晶粒长大。但过量的MgO引入不会促进致密过程，细化晶粒效果并不明显。

3.3晶粒细化与结构均匀致密

从提高性能角度出发，烧结过程应使致密化和细晶化同时实现。致密化是指坯体烧结过程排除气孔，结构紧密，细晶化则指控制晶粒长大，这是两个不同的概念。但是气孔与晶界之间的作用形式往往使晶粒不正常长大因素之一，它们之间的依存方式对结构产生很大影响。

抗弯强度σf与晶体平均粒径d，材料内部气孔率p 有以下关系式：

σf= （σ0+k·d-1/2）exp-np

式中σ0、k、n均为常数。由此可以看出强度随气孔率增加呈指数规律降低，同时只有在材料内部气孔分布均匀，气孔尺寸较小时，晶粒尺寸起决定作用。也说明晶粒尺寸过大或气孔率较高，材料结构强度急剧降低。但晶粒细化和致密有时是相互矛盾的，既要细化晶体又要提高密度是有不少困难，还要控制烧成时的温度和压力。

4 结 论

（1）添加剂选择不当时，氧化铝陶瓷晶粒会随烧成温度增高，变得粗大；

（2）细晶结构与颗粒均匀致密同时满足条件，才能有效提高氧化铝陶瓷材料结构强度；

（3）在引入条件适当时，Y2O3对氧化铝陶瓷不仅有细化晶粒结构作用，也具有增韧作用；有效降低烧成温度。

（4）采用Y2O3-MgO（<0.7%）的添加剂制备氧化铝陶瓷粉料，等静压成型、高温1 570C°左右烧结，可以获得晶粒小于1～3μm的物理性能优良的微细结构氧化铝陶瓷。

参 考 文 献

[1]严东生.陶瓷的显微结构与性能[J].硅酸盐学报.1981（3）：71

[2]姚丽，等.高性能细晶粒刚玉瓷的研制[J].中国陶瓷.1999（4）： 15-17

[3]关振铎，等.无机材料物理性能[M].清华大学出版社.2003