氧化铝陶瓷的制备与显微结构

氧化铝陶瓷的制备与显微结构

张全贺

051002131

摘要：a—A1：O3中加入复合添加剂，在1 500℃，2 h条件下无压烧结，制备出原位生长片状晶增韧的氧化铝陶瓷。烧结行为和显微结构研究表明：在1 500℃下烧结时，获得板片状晶粒。加入CaF2和CaF2复合添加剂时，生长的晶粒呈现片状，大小均匀，断裂韧性达到4．3 M Pa/m ；加入CaF2和高岭土复合添加剂时，由片状晶粒形成Al203陶瓷基体中，弥散分布着粗大的板块状晶粒，有效的提高了Al2 03陶瓷的致密度，相对密度达到96．8 g／cm 。

关键词：氧化铝；片状晶；原位生长；添加剂

1 引言

氧化铝陶瓷具有硬度高、耐高温、耐磨、电绝缘、抗氧化、力学性能良好、原料蕴藏丰富、价格低廉等许多优点，是应用最早、最广泛的精细陶瓷。氧化铝显微组织通常为等轴状晶粒，断裂韧性较低，通常只有3 M Pa/m 。材料的显徽结构和性能之间具有内在联系，如果把显微结构控制在理想的状态，就能使材料具备所希望的性能，Evans预言，如果A12O3，基体中按体积含有大于lO％的柱状晶或含有2O％的板状晶，陶瓷材料的韧性将得到大大的提高.

2 试验方法

2．1 试验材料：将工业A12O3粉经过预烧转变为A12O3后，放人玛瑙罐内进行球磨，玛瑙球、氧化铝和无水乙醇的体积比为3：1：8，球磨时间为48 h，然后在8o℃下于燥。将A12O3和高岭土分别湿磨，放人100 ml烧杯，进行低温干燥后，过200目筛待用。按照配料表1，将物料配好后倒人塑料瓶内，按玛瑙球、氧化铝和无水乙醇的体积比为2：1：4进行湿混后，取出干燥。采用120 M Pa于压成型后放人高温梯度炉内，烧结温度为1 500℃，保温2h。

2．2 检测方法：试样经研磨抛光后用氢氟酸水溶液腐蚀，，利用HV一120型维氏硬度仪压痕，加载载荷为5 kg，保压时间10 S。采用日本奥林巴斯GX71金相显微镜上观察压痕，由压痕法(Indentation Method)测定断裂韧性值。将抛光试样或原始试样取断口进行喷金，在JSM一6360LV扫描电子显微镜中观察断口显微组织形貌，利用美国EDAX的FALCON60S能谱仪进行材料微区成分分析。采用阿基米德法测定试样的实际密度并计算出相对密度。

3 试验结果与讨论

3．1材料的性能：图1是在实验温度温度1 500℃下，不同种类的添加剂所得的各组试样的不同相对密度。可以看出，所使用的添加剂都能够明显的提高陶瓷的相对密度。当加入3．0％的SiO2时，获得的材料具有最大的断裂韧f生直，通过压痕法进行计算的值为4．3 M Pa/m 。，说明SiO2 和CaF2 的相互作用能够有效的提高A1 0 陶瓷的力学性能。提高的途径主要是通过SiO2 促进A1 0 晶粒原位异向长大，发育成片状晶所致。随着SiO2 的质量分数的增加，A1 0 陶瓷的力学性能开始下降，而相对密度却明显增加，这主要与A1 0 陶瓷的显微组织的变化密切相关，由于添加剂量的增加，基体中的片状晶继续生长，虽然提I了陶瓷的相对密度，但大量片状晶开始变成板状晶，因此恶化了材料的断裂韧性性能当加入9．0％的高岭土时，相对密度达到96．8％的最大值，说明高岭土和CaF2复合添加能够的提高A1 0 陶瓷的密度值，但这一过程在促进晶粒原位异向生长，生成大量的片状晶的同时，使得局部的晶粒异常长大倾向严重，发育成较为粗大板块状。局部粗大板块状晶的明显增多，在提高材料致密度的同时使材料的力学性能显著下降。

通过性能曲线的对比说明，两种添加剂都能够促进Al2O3晶粒原位异向生长，提高陶瓷材料的致密度。当加入一定量的SiO2和CaF2时，致密度的增加较为明显，但是力学韧度却下降明显。

3.2显微结构分析：图2分别为加入SiO2和高岭土的Al2O3陶瓷的显微结构及断口形貌。从图a和图c中可以看出，加入SiO2的纤维组织，Al2O3晶粒呈现出片状，而且从尺寸上看，相对大小也较均匀，而以高岭土为添加剂的图片中分析，Al2O3晶粒呈现出块状，局部还有粗大的板状晶，尺寸明显大于机体其它区域的显微组织。对于板状晶和片状晶的定义，Song等人对晶粒的形貌进行了量化，板状晶是指长>100μm，纵横比>5的异常长大晶粒，平行于长轴方向的平滑晶界称为扁平晶界，片状晶粒相对于板状晶而言较小，一般为10μm，也具有扁平晶。

从试验过程来看，添加SiO2的陶瓷材料，均出现大量的片状晶。随之加入质量分数的增加，片状晶纵、横方向的值都有所增加，逐渐呈现出板块形貌，且组织尺寸、形貌分布较为均匀，这主要与烧结过程中，SiO2的加入导致晶界液相的逐渐增加，从结晶学的角度讲，氧化铝晶粒只有在受到界面反应速率控制时，才有可能异向生长，适量的SiO2量能够有效的促进界面反应的发生，超过3．0％时，诱导晶粒的进一步生长。当以高岭土做为添加剂时，随着烧结温度的逐渐升高，由于高岭土中存在其它的低熔点物质，这样在较低的烧结温度下，便在粉体颗粒间出现少量的液相，不均匀分布的液相则在粉体中形成湿的或干燥的界面区域，而在湿的微小区域内，首先有一部分AI：O 晶粒开始生长。当到达正常的烧结温度时，添加剂在烧结过程形成较多液相，弥散在A1：O 陶瓷晶粒的周围，大面积的烧结行为才得以开始，而局部的已经发育的晶粒进一步生长，因此，最后形成了局部具有粗大板块状晶的陶瓷基体组织，这样的组织分布虽然有利于陶瓷的烧结，提高致密度，但局部粗大的板状晶却严重的恶化了材料的力学性能。

3．3裂纹扩展途径：由压痕法(Indentation Method)获得的裂纹扩展形态是陶瓷增韧机制的微观表征。从图3可看出裂纹在扩展过程中发生了弯曲、偏转，导致裂纹在基体中扩展的路径延长，同时有的晶粒局部断裂，还有“撬掘”现象的发生。从图3a)可以看出，裂纹在扩展时，发生了偏转、弯曲，从而消耗了断裂过程中更多的能量。在裂纹扩展时，裂纹主要沿着晶界进行，对于加入SiO2添加剂的A12O3陶瓷材料来说，基体中较小的片状晶无疑增加了这种裂纹的行程，从而使得该条件下的Al2O3 陶瓷具有相对较高的力学性能。在图3b)中，高岭土的加入，使其有着粗大的板块状晶粒，由于这样的晶粒的产生，使得裂纹更为顺畅的沿晶界而行，扩展行程也相对缩短，最终导致局部存在粗大板块状的晶粒的陶瓷性能变差。在图3c)中，个别的粗大板块状的晶粒的尖角处，发生局部断裂，虽然对增韧有益，但这种现象较少，因此，并不能发挥较为有效的增韧作用。图3d)中，局部出现“撬掘”现象，可以增加材料断裂时，裂纹界面之间的摩擦，

消耗一定的能量，也有益于增韧，但是这种“撬掘”主要由晶界相组成，而非是由晶粒自身拨出造成，作用不是很明显。

3 结论

1)两种添加剂都能够促进A12O3，陶瓷的烧结，而且能够促进AI2O3，晶粒原位异向生长成板状晶，提高了陶瓷材料的致密度。

2)加入一定量的Si02添加剂，AI2O3晶粒呈现出片状，性能较好，断裂韧性最大时达到4。3 M Pa /m，随着加入量的增加，片状逐渐发育成板块状，分布较为均匀，提高致密度的同时，力学性能下降。

3)加入高岭土添加剂，在片状晶的基体中，局部[6]弥散分布着粗大板块状晶粒，虽然有效的提高了材料的致密度，但性能较差。此时AI2O3，陶瓷的最高的相对密度值为96．8％。

参考文献

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