莫来石对氧化铝基复相陶瓷抗热震性及显微结构的影响

田嘉美 曹宇 王佳程 邹素琳 蒋俊超 胡继林

摘 要：氧化铝陶瓷是一种应用广泛的工程陶瓷材料，但存在断裂韧性低、抗热震性较差等缺点。为改善氧化铝陶瓷的相关性能，本研究采用无压共烧法制备了氧化铝-莫来石-堇青石复相陶瓷，研究了莫来石添加量对氧化铝基复相陶瓷体积密度、抗热震性、显微结构等方面的影响。结果表明，当添加的莫来石质量分数为20%时，在1 500 ℃保温2 h制备的复相陶瓷具有较高的体积质量（3.838 g/cm3）、抗折强度（547.06 MPa）和较好的抗热震性能（800 ℃剩余应力为47.09 MPa，且表面无裂痕）。由于莫来石在氧化铝基体中起到了桥接、挡裂和拉出等增韧作用，同时可降低复相陶瓷的热膨胀系数，因而赋予复相陶瓷较好的抗热震性能。

关键词：氧化铝；莫来石；复相陶瓷；抗热震性

氧化铝（Al2O3）陶瓷是一种重要的工程陶瓷材料，具有高硬度（HRA80-90）、高熔点（约2 050 ℃）、高耐磨性、高耐腐蚀性、高介电强度、高介电常数、低介电损耗等优异的物理和化学性能，在机械、化工、电子、冶金、航空航天等领域有着广泛的应用［1-3］。然而，氧化铝陶瓷存在断裂韧性低（约3～5 MPa·m1/2）、抗热震性较差等不足［4］。这些缺点限制了氧化铝陶瓷在高温、高压等恶劣环境下的应用。因此，如何改善氧化铝陶瓷的力学与热学性能，提高其使用寿命和可靠性，是当前高性能陶瓷材料研究的重要课题之一［5］。

为改善氧化铝陶瓷的力学与热学性能，许多学者采用添加弥散相、添加延性相、引入残余应力、控制晶粒尺寸和形貌等多种方法展开了系列研究［6-8］。其中，添加弥散相和延性相是最常用的方法之一，即制备氧化铝基复相陶瓷。通过复合可以实现相互补偿和协同增效，从而获得优于单一组分陶瓷的综合性能［9］。

目前，氧化铝基复相陶瓷的研究主要集中在以下几个体系。

氧化锆/氧化铝复相陶瓷。氧化锆（ZrO2）是一种具有可逆相变特性的陶瓷材料，将氧化锆作为弥散相添加到氧化铝基体中，可以有效地提高氧化铝陶瓷的断裂韧性和弯曲强度［10］。然而，氧化锆/氧化铝复相陶瓷制备过程中也存在一些问题，如：氧化锆的相变温度较高，导致复相陶瓷的热膨胀系数较大，降低了其抗热震性能；氧化锆与氧化铝之间的界面结合力较弱，容易造成剥离和脱落等。

碳化硅/氧化铝复相陶瓷。碳化硅（SiC）是一种具有优异的力学、热学和耐化学腐蚀性能的陶瓷材料［11］。然而，碳化硅/氧化铝复相陶瓷也存在界面结合力较弱，容易造成界面反应和界面裂纹。

莫来石/氧化铝复相陶瓷［12］。莫来石（3Al2O3·2SiO2）是一种具有特殊晶体结构和形貌的无机材料，在高温下可以形成类似于天然纤维的晶须结构［13］。莫来石晶须具有高弹性模量（约300 GPa）、高断裂韧性（约15 MPa·m1/2）、低密度（约3.1 g/cm3）、低热膨胀系数（约5×10-6 K-1）等优异的物理和力学性能。将莫来石晶须作为增强相或弥散相添加到氧化铝基体中，可以有效地提高氧化铝陶瓷的抗折强度、断裂韧性、抗热震性能和耐腐蚀性能。莫来石晶须在氧化铝基体中起到了桥接、挡裂和拉出等增韧作用，同时也降低了复相陶瓷的热膨胀系数，提高了其抗热震性能［12，14］。因此，如何优化莫来石/氧化铝复相陶瓷的组成、结构和工艺，以提高其力学与热学性能，成为当前莫来石/氧化铝复相陶瓷的研究重点之一。

基于上述氧化铝陶瓷的研究现状，本研究拟选择氧化铝为主要原料，以一定量的莫来石和堇青石作为增强相或弥散相，同时添加适量的烧结助剂，采用模压成型与无压烧结工艺制备出氧化铝基复相陶瓷，着重探讨莫来石用量对氧化铝基复相陶瓷的体积质量、气孔率、抗折强度、抗热震性、显微结构等方面的影响。

1 实验

1.1 实验原料

氧化铝（Al2O3，工业纯，安迈铝业〈青岛〉有限公司）、莫来石（3Al2O3·2SiO2，工业纯，河南义翔新材料有限公司）、堇青石（Mg2Al4Si5O18，工业纯，河南义翔新材料有限公司）、氧化钇（Y2O3，分析纯，上海化学试剂研究所有限公司）、氧化镧（La2O3，分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、氧化钛（TiO2，分析純，广东光华化学厂有限公司）和氧化镁（MgO，分析纯，湖南湘中化学试剂有限公司）。

1.2 复相陶瓷的制备

根据不同的组成比例，按实验配方（表1）分别称量各实验原料。本研究中添加的莫来石原料的显微形貌如图1所示。将称取好的各种粉料放入球磨罐中，选择一定量的超纯水作为分散剂（料与水的质量比为1∶1.2），加入适量的氧化锆球作为球磨介质，在行星式球磨机中进行球磨混合。球磨混合时间为2 h，转速为500 r/min。球磨时间结束后，将浆料混合物取出转入烘箱中，100 ℃下干燥12 h。将干燥后的混合粉末倒入玛瑙研钵中，用研钵头捣碎研磨。再称取一定量配制好的聚乙烯醇（PVA）溶液，均匀加入到混合粉末中，充分混合均匀后，将粉料用250 μm孔径的筛网过筛处理。将处理好的上述混合粉末放入钢制模具中成型，成型压力为100 MPa，保压时间为1 min。将模压成型后的陶瓷样品放入高温箱式电阻炉中，用1 500 ℃进行烧结（平均升温速率约为6 ℃/min），保温时间为2 h。保温时间结束后，陶瓷样品随炉自然冷却至室温，即得到氧化铝基复相陶瓷。

1.3 样品测试与表征

采用阿基米德排水法分别测定烧结好的氧化铝基复相陶瓷样品的体积质量、气孔率与吸水率。用电子式万能试验机（CMT-50）测定氧化铝基复相陶瓷样品的抗折强度。采用自行设计和制作的热震试验机，将陶瓷样品从室温快速升温到200 ℃，保持20 min后用流动冷水快速冷却到室温（后续陶瓷样品温度设计在200～800 ℃之间，每间隔100 ℃进行重复操作），随即进行抗折强度测定，表征陶瓷样品的抗热震性能。用扫描电子显微镜（CXS-5TAH-119391，韩国COXEM公司）对陶瓷样品断面的显微结构进行分析。

2 结果与分析

2.1 体积质量

表2是在1 500 ℃烧结后不同配方的氧化铝基复相陶瓷体积质量。可知，随着莫来石的含量由0至20%的增大，氧化铝基复相陶瓷的体积质量随之增大。相较于2＃配方，3＃配方陶瓷样品体积质量的增加更为显著，平均值达到了3.838 g/cm3。说明莫来石含量在一定程度上的增加对陶瓷致密化有一定影响，这可能是在烧结过程中，莫来石晶粒将氧化铝晶粒更加紧密地结合在一起，进而提高了复相陶瓷的体积质量。

2.2 气孔率与吸水率

表3与表4分别是在1 500 ℃烧结后不同配方的氧化铝基复相陶瓷的气孔率与吸水率测定结果。从表3可知，得益于莫来石的添加，氧化铝基复相陶瓷的气孔率得到了显著的降低。未添加莫来石的配方样品（1#）的气孔率平均为4.88%；而当莫来石的添加量为10%（2#）时，烧结后陶瓷样品的气孔率降至0.35%；当莫来石的添加量增加至20%（3#）时，复相陶瓷样品的气孔率进一步降低至0.22%。莫来石添加量对复相陶瓷样品的吸水率影响呈现出相同的变化趋势。当莫来石的添加量为0时，所得陶瓷样品的平均吸水率为1.39%，当莫来石的添加量为20%时所得的复相陶瓷的吸水率降至0.06%。

2.3 抗折强度

表5是在1 500 ℃烧结温度下所制备的不同配方陶瓷样品的抗折强度。可以看出，未添加莫来石的氧化铝基复相陶瓷抗折强度远小于添加了莫来石的氧化铝基复相陶瓷。未添加莫来石的配方样品（1#）的抗折强度仅为121.17 MPa；当莫来石的添加量为10%（2#）时，烧结后陶瓷样品的抗折强度增至355.48 MPa；当莫来石的添加量增加至20%（3#）时，复相陶瓷样品的抗折强度进一步增大，达到547.06 MPa。可见，一定量莫来石的添加对提高氧化铝基复相陶瓷的抗折强度有积极的作用。

2.4 高温热震性能

表6是陶瓷样品在不同温度热震处理后的抗折强度，热震处理的温度区间为200～800 ℃（公差为100 ℃）。由表6可以看出，1＃配方陶瓷样品热震剩余应力的变化趋势不明显，可能是由于应力基数较低（仅121.17 MPa），或是陶瓷样品致密度较低导致测试抗折强度的断裂口堆积较多微裂纹所致，不过仍能在表6中看到在300 ℃与700 ℃热震条件下剩余应力的显著变化。2＃配方与3＃配方氧化铝基复相陶瓷在热震温度处于300 ℃与700 ℃时热震剩余应力的消耗相较于其他温度更加显著，而在300～700 ℃之间热震剩余应力的损耗趋势较小，由此可以判定氧化铝基复相陶瓷处于300 ℃与700 ℃时的热震损耗较大。添加了莫来石的2＃配方与3＃配方氧化铝基复相陶瓷在800 ℃时的热震剩余应力近乎相同（±0.01 MPa），而未添加莫来石的1＃配方氧化铝基复相陶瓷在800 ℃的剩余应力低于添加了莫来石的两组。由此说明，莫来石的添加对氧化铝基复相陶瓷的抗热震性能确实有提升的作用。

2.5 显微结构

图2为在1 500 ℃烧结后不同实验配方的断口扫描电镜照片。大量灰暗色的颗粒均匀分布在断口处，此类颗粒为主晶相氧化铝颗粒。在图2（a）和2（b）中，灰暗色颗粒尤为显著，在图2（c）、2（d）、2（e）和2（f）中形成完整块状，这说明在体系中添加一定量莫来石后，氧化铝基复相陶瓷中氧化铝晶粒生长更加完整，进一步促进了氧化铝基复相陶瓷的致密化，赋予氧化铝基陶瓷更加优异的综合性能。

3 结论

1）当添加的莫来石质量分数为20%时，在1 500 ℃保温2 h制备的氧化铝-莫来石-堇青石复相陶瓷具有较高的致密度（气孔率为0.22%，吸水率为0.06%，体积质量为3.838 g/cm3）、室温抗折强度（547.06 MPa），较好的抗热震性能（800 ℃剩余应力为47.09 MPa，且表面无裂痕），以及更少缺陷的显微结构。

2）在体系中添加一定量莫来石后，复相陶瓷中氧化铝晶粒生长更加完整，晶粒之间结合更加稳定，提高了氧化铝基复相陶瓷的致密度，赋予了氧化铝基复相陶瓷更优异的综合性能。

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（责任编辑：王军辉）