氯化钪对铝酸镁尖晶石烧结致密化的影响研究

刘建华

(昆明理工大学，云南 昆明 650093)

0 引 言

铝酸镁尖晶石(MAS)具有高熔点(2 135 ℃)，低热膨胀性，良好的机械强度和优异的耐化学性等。由于这些理想的特性，MAS已用于各种应用，例如耐火材料，湿度传感器和透明陶瓷材料，以及铝电解池中的阳极和侧壁材料。然而，由于伴随着尖晶石化反应的体积膨胀(8 %)不利于致密化，因此很难通过固相法直接从单独的Al2O3和MgO粉末的混合物中制备出致密材料。众所周知，选择适当的合成条件，以及原料粉末的有利获得致密的陶瓷。如先前的研究证明，通过共沉淀制备的MgAl2O4粉末具有良好的烧结性能。但是，几乎没有任何方法可以在没有烧结助剂的情况下获得完全致密化的MAS。

烧结助剂对MAS致密化的作用已有报道。例如，添加LiF可以通过液相烧结来增强尖晶石的致密化，而添加TiO2可以通过Al2O3的析出和TiO2的溶解来改善尖晶石的致密化。在ZnO中，阴离子空位的形成会引起尖晶石的致密化。加入稀土氧化物后，可获得令人满意的致密尖晶石。Dy2O3可防止晶粒过大生长并有助于致密化。在有5 wt%的Y2O3的情况下，高质量尖晶石的烧结性会提高。在我们先前的研究中，使用4 wt%的Sc2O3作为添加剂可在MAS中获得96.17 %的致密化，这表明将Sc2O3掺入尖晶石结构中可改善传质和致密化。但是，MgAl2O4粉末合成过程中添加烧结助剂的研究很少。

在该研究中，已尝试研究共沉淀法制备MgAl2O4粉末的过程中添加ScCl3，以研究其对MAS的致密化和性能的影响。

1 实 验

材料制备时使用的主要原料有无水氯化铝(A1Cl3)、氯化镁(MgCl2·6H2O)、氨水(NH4OH)，氯化钪(ScCl3)和去离子水(实验室自制)。通过氨水调节pH，将ScCl3、A1Cl3和MgCl2·6H2O共沉淀制备含钪的镁铝水合物前驱体。ScCl3的添加量分别是0、1、2和4 wt%。在1 000 ℃煅烧得到MAS粉末。将MAS粉末压制成生坯。在KSL-1750X-A2高温箱式炉中1 700 ℃烧结2 h得到烧结体。

通常采用阿基米德排水法测定烧结试样的体积密度和显气孔率。利用XRD分析材料的晶体缺陷、晶格参数、物相含量、晶体结构及内应力。陶瓷试样的导电性较差，在观察其表面和横断面的微观形貌之前，要对试样进行打磨抛光，并在一定温度下热腐蚀，再做喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 原料XRD

共沉淀制备含钪的镁铝水合物前驱体在1 000 ℃煅烧得到的粉末物相分析见图1。由图1可知共沉淀得到的镁铝水合物在1 000 ℃煅烧所得粉末的物相组成为MgAl2O4和Sc2O3。无水氯化铝和氯化镁反应煅烧后可得MgAl2O4粉末，ScCl3煅烧可得Sc2O3。

图1 原料物相组成Fig.1 Phase composition of raw materials

2.2 生坯烧结的体密度和孔隙率

不同钪盐含量的镁铝尖晶石烧结试样的致密度和孔隙率见图2。由图2可知，随着钪盐含量的增大，烧结式试样的致密度增减增大，孔隙率增减减小。当钪盐含量>2 %时，烧结试样的致密度增大不明显，孔隙率减小的不明显。在钪盐含量为2 %时，烧结试样的致密度为98 %，孔隙率1 %。

图2 烧结试样的致密度和孔隙率Fig.2 Density and porosity of sintered sample

2.3 烧结试样的微观形貌

不同钪盐含量的MAS烧结试样断面形貌图见图3。由图可知，添加钪盐可促进试样的烧结致密化，不含钪盐的试样有较多的空洞，钪盐含量为2 %时，其烧结试样的断面形貌最致密。

图3 烧结试样的断面形貌图：(a)0 %；(b)1 %；(c)2 %；(d)4 %Fig.3 The cross-sectional topography of sintered sample：(a)0%；(b)1%；(c)2%；(d)4%

图4 含2 %钪盐烧结试样的能谱图

由图4可知钪盐促进试样烧结致密化的主要原因是钪盐在颗粒填充边界处减少孔隙，增大烧结试样的致密化程度。

3 结 语

以ScCl3的形式添加进试样可有效促进MAS的烧结致密化，钪盐含量2 %时，MAS烧结试样的致密化程度最大，致密度为98 %，孔隙率为1 %。其促进MAS烧结致密化的主要机理是含钪盐的颗粒可填充MAS颗粒的边界孔隙，从而促进其烧结致密化。