烧结温度对三元烧结助剂氧化铝陶瓷介电性能影响研究

罗　征

(哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨　150066)



烧结温度对三元烧结助剂氧化铝陶瓷介电性能影响研究

罗征

(哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150066)

研究了不同的烧结助剂及烧结温度下的氧化铝陶瓷介电性能。研究发现，当加入三元体系烧结助剂(MgO+CaO+SiO2)时，介电常数为10.66，介电损耗为0.0011，击穿强度为35.95 kV/mm，抗弯强度为396.1 MPa。对比不同烧结温度下氧化铝陶瓷的介电性能与机械性能，发现在1 600～1 620℃烧结的氧化铝陶瓷样品的介电性能与机械性能最优。

氧化铝；烧结助剂；介电性能；机械性能

0　引言

在屏蔽电机中，槽楔有绝缘以及支撑定子屏蔽套的作用，需满足一定的介电性能、介电强度和弯曲强度。在陶瓷材料中，氧化铝陶瓷有着良好介电性能：介电常数适中，介电损耗较低而介电强度较高，同时氧化铝的机械性能也十分良好。因此，氧化铝陶瓷可以作为一种良好的陶瓷槽楔应用材料。在氧化铝陶瓷中，其介质极化过程主要受到离子位移极化影响，因此，氧化铝陶瓷的介电常数主要受到纯度与致密度的影响[1]。当氧化铝陶瓷中存在第二相时，复相陶瓷的介电常数可由Maxwell公式推导出来[2]：

(1)

式中：ε′是多相氧化铝陶瓷的介电常数，而Vd与Vm分别是第二相与氧化铝的体积分数，εd与εm分别是第二相与氧化铝的介电常数。当第二相是气体时，Heidinger引入一定近似假定εm-εo≪εm(其中εo为气体的介电常数，接近于1)，公式1可变换为一个与实际数据很接近的关系式[3]：

(2)

氧化铝陶瓷的介电损耗主要影响因素为缺陷、气孔及晶界。通过大量的实验，Penn推导出介电损耗与气孔率之间的关系式如下[3]：

(3)式中：tanδ0为气孔率为零时的介电损耗，约为1.565×10-5；A′为常数，等于9.277×10-3。式中可以看出氧化铝的介电损耗随着孔隙率的升高而升高。氧化铝的纯度、掺杂种类、晶粒尺寸对于其介电强度有着重要的影响。

影响氧化铝陶瓷介电性能的因素很多，如材料的组成、致密度、显微结构(织构)；缺陷、杂质的种类和含量；表面状态和表面处理工艺等。氧化铝烧结助剂的加入是影响最大的因素之一，选择合适的烧结助剂是制备满足性能要求的氧化铝陶瓷的关键。因此，为得到性能良好的氧化铝介电陶瓷，大量的工作围绕着为对烧结助剂的探索[4-5]及对烧结工艺的研究[6]进行。本文对氧化铝陶瓷性能的研究主要围绕烧结助剂、烧结温度因素同时进行。研究上述因素对氧化铝陶瓷的致密度、力学性能、介电常数、介电损耗值等的影响，并得出一个性能最优化的方案。

1　实验过程

本实验采用山东淄博驰威公司的氧化铝(Al2O3)粉体，粒度D50≤0.5 μm，纯度99.99%；氧化钇粉体(Y2O3)来自有研稀土新材料股份有限公司，粒度D50≤0.5 μm，纯度99.99%；氧化镁(MgO)粉体来自中国上海试剂一厂，粒度D50≤0.5 μm，纯度分析纯(99%)；二氧化硅(SiO2)来自国药集团化学试剂有限公司，粒度D50≤0.5 μm，纯度分析纯(99%)。

以超细氧化铝粉体为原料，分别按单一添加剂MgO的加入量为5wt%；二元添加剂MgO+Y2O3(MgO、Y2O3分别为2.5wt%)；多元添加剂(MgO+CaO+SiO2)(MgO、CaO、SiO2分别为2.3wt%、1.6wt%、1.1wt%)作为烧结助剂。将称好的原料放入球磨罐中，加入去离子水。球磨40 h后，加入3wt%PVA(根据料重计算)，球磨8 h。将球磨后的浆料用喷雾干燥机干燥，干燥后粉体具有很好的流动性。在压机上用模具压制成型， 成型压力为15 MPa。再在窑炉中烧结，烧结温度分别为1 570、1 585、1 600、1 620、1 650 ℃(保温2 h)。

将实验样品加工成直径20 mm的圆片，厚度0.5 mm进行介电性能测试。测试频率为1 MHz，介电常数及介电损耗测试仪器为HF2810B型LCR数字电桥及4194A IMPENDANCE/GAIN-PHASE ANALYSER，介电强度测试仪器HF5013型超高压耐压测试仪。将样品加工成试样尺寸为3mm×4mm×36 mm，测量时跨距为30 mm进行三点抗弯强度测试。三点抗弯强度仪器为SHIMADZU公司万能材料试验机。

2　结果与讨论

2.1烧结助剂对性能的影响

本文烧结助剂以碱土金属氧化物(MgO)为基本添加剂，在此基础上进行适当的添加剂修饰，构成二元与多元添加剂。分别选用MgO+Y2O3，MgO+CaO+SiO2作为二元与三元添加剂，使出现液相的温度降低，从而促进烧结，见表1。

表1　烧结温度为1 600℃时，烧结助剂对氧化铝陶瓷性能的影响

表1所示为采用不同烧结助剂在1 600 ℃烧结2 h得到的氧化铝陶瓷的综合性能。从表1可以看出，MgO单独添加样品的密度相对较低，介电损耗也相对较大，同样击穿强度也相对较低。而加入MgO+Y2O3与MgO+CaO+SiO2的样品密度均较高，介电损耗也较小，同时击穿强度均较高，但是三元添加的样品具有更好的击穿强度，这可能是因为，三元添加烧结过程在晶界形成更多的玻璃相，而且玻璃相对氧化铝是润湿的，有助于玻璃相的扩散以及氧化铝陶瓷的烧结，烧结的样品应该更为均匀。二元添加为准固相烧结，晶界相难以迁移，混料过程中成分的不均匀会造成最终样品的不均匀，由于成分的不均匀，局部存在大气孔的概率增大。

同时，氧化铝中MgO作为烧结助剂，陶瓷的抗弯强度相对较低；以MgO+Y2O3作为烧结助剂，陶瓷的抗弯强度有所提高；而采用MgO+CaO+SiO2陶瓷的抗弯强度提高较为明显。MgO+CaO+SiO2陶瓷的抗弯强度的提高，一方面取决于陶瓷的致密度及存在气孔的尺寸，另一方面也取决于晶粒的尺寸与晶界的强度。多元添加可以使氧化铝在液相中有更高的溶解度，更好地促进烧结，同时也抑制了晶粒过度生长，合理控制液相烧结也可以实现较好的晶界强度。从表1可以看出，采用三元添加剂(MgO+CaO+SiO2)烧结得到的氧化铝陶瓷在介电性能以及力学性能方面都明显优于其他两种，更适合作为氧化铝介电陶瓷材料的烧结助剂。

2.2烧结温度对性能的影响

针对烧结温度对Al2O3+MgO+CaO+SiO2的陶瓷介电性能及机械性能影响进行研究，实验烧结温度分别为1 570、1 585、1 600、1 620、1 650 ℃。从图1中可以看出，烧结温度对样品的密度有较为明显的影响，在1 570 ℃烧结时，样品的密度相对较低，此时样品的介电损耗与击穿强度均相对较低。随着烧结温度升高，样品的密度有所增加，介电损耗明显降低，差不多降低一个数量级，击穿强度也有所提高，见图2。

图1　不同烧结温度氧化铝密度图

图2　不同烧结温度下氧化铝介电常数与介电损耗

随着烧结温度的提高，样品的抗弯强度也有所提高，在1 600～1 620 ℃烧结的样品具有相对较高的抗弯强度，1 650 ℃烧结的样品抗弯强度略有下降。在1 600～1 620 ℃烧结的样品具有较高的致密度，晶粒尺寸也较小，这是抗弯强度较高的重要原因(见图3)。综合表中的性能指标，认为1 600～1 620 ℃对于以MgO+CaO+SiO2多元添加剂的体系是较为合适的烧结温度，而且也说明该体系有较宽的烧结温度范围，适于真正生产应用。

图3　不同烧结温度下氧化铝陶瓷的击穿强度及抗弯强度

3　结语

本文通过不同烧结助剂及不同烧结温度对氧化铝陶瓷介电性能及机械性能的影响，得出如下结论：

1) 相较烧结助剂为MgO及MgO+Y2O3的氧化铝陶瓷而言，烧结助剂为MgO+CaO+SiO2的氧化铝陶瓷致密度较高，介电常数为10.66，介电损耗最低，击穿强度及抗弯强度最高。

2) 在1 600～1 620 ℃烧结的氧化铝陶瓷样品具有较高的致密度，较低的介电损耗，较高的介电常数，其击穿强度与抗弯强度均最高。

[1]赵世柯. 电真空器件用氧化铝陶瓷的介电性能[J]. 真空电子技术， 2007， (4): 20-25.

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[3]Penn S J， A lfo rd N M， Templeton A， et al . Effect of Porosity and Grain Size on the Microwave Dielectric Properties of Sintered Alumina [J]. Journal of the American Ceramic Society， 2005， 80(7): 1885- 1888.

[4]司文捷， 刘人淼. 掺杂对高纯氧化铝陶瓷介电损耗的影响[J]. 稀有金属材料与工程， 2007， 36(s1): 445-448.

[5]姚义俊， 蒋晓龙， 李纯成， 等. 掺杂 Y2O3， Sm2O3对氧化铝瓷介电性能的影响[J]. 材料科学与工程学报， 2009， 27(04): 542-544.

[6]张巨先. 低介电损耗微晶氧化铝陶瓷研究[J]. 真空科学与技术学报， 2006， 26(01): 77-79.