烧结气氛对电瓷材料机械性能的影响

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烧结气氛对KNN基无铅压电陶瓷性能的影响

ｈｔ｜Ｒ．ｒａｔｑｃｍ・３ｔｐ｝ｃｎｓｅ．ｏ５・
２１年・２０２第期
技术与研究
中国材料科技与设备（双月刊）
运用铁电参数测试仪（ａｉｔＴｃｎｌｉ，Ｉｅ）在Ｒｄａｅｈｏｏｅｎ．ｎｇｓ
按照实验配方（ｏ７ｏ７ｉｏ）（ｏ４．）Ｋ．．ｏ６Ｎｂ．０㈣６４Ｎａ４Ｌ．９６
Ｔａｏ０配料，将称量好ｏ３
．
的原料装于有玛瑙球的尼龙罐中
压电陶瓷的体系之一。尤其Ｙ．ａｏ等人报道了通过Ｉ和Ｓｉｔ』
文的制备工艺条件下恰好能够充分抑制Ｎ、Ｋ的挥发，保ａ
证原始配方中元素化学剂量比的准确，从而充分挖掘铌酸盐陶瓷的电学性能。
－
并不太大，这也体现了在本文实验工艺的条件下制备的铌酸盐
无铅压电陶瓷具有高致密性的特点。图２（）及（）所示的ａｂ陶瓷断裂模式均为穿晶断裂，说明陶瓷具有较高的机械强度，且在较大的区域内几乎没有气孔、致密性高。］
０１７，ｋ一３．，ｋ一２，Ｑ５；添加３．１６。２１９一２０ｗｔ气氛粉料时所得陶瓷压电介电性能明显提高：ｄ。２５。一３
ｐ／￡／０— １１，ｔｎ一００２，ｋ一４．，奄ＣＮ，ｊ￡３２８ａ．４０ｐ２５
．
．
武汉
４０６）３０２
摘要：文利用传统固相烧结法制备（７ｏ７ｉ。）Ｎｂ．Ｓｏ。）６ｏｏ０３（称ＫＮＴ）无铅压电陶瓷，通本ＫＮａ４Ｌｏ６（ｏ９ｂ．６。９Ｔａ４４简ＩＮＳ过在烧结过程中添加与基方相同成分的粉料作为保护气氛，定量研究了不同的烧结气氛对ＫＮＬＴ无铅压电陶瓷性能的ＮＳ

陶瓷材料工艺学--第五章陶瓷材料的烧结

③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。

这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度（2）保温时间（3）烧成气氛（4）升温与降温速率
本节小结
1、烧结的定义和烧结的方法 2、烧结的类型
接触部位颈部颈部颈部颈部颈部颈部颈部
相关参数晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除

烧结温度对Ti_(3)SiC_(2)SiC陶瓷材料性能的影响

第34卷第2期2021 年 4 月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEVol.34 No.2Apr.2021文章编号：1007-2934(2021) 02-0010-03烧结温度对Ti 3 SiC 2 /SiC 陶瓷材料性能的影响解玉鹏**，孙添鑫，徐俊收稿日期：2021-02-17基金项目：吉林省教育厅科学研究资助项目(JJKH20190832KJ)；吉林市科技创新发展计划项目(201831777) ；2020年吉林省大学生创新创业训练计划*通讯联系人(吉林化工学院理学院，吉林吉林132022)摘要：以微米级TiC 粉和Si 粉为主要原料,Al 粉为烧结助剂，采用无压烧结工艺制备Ti s SiQ/SiC陶瓷材料，研究了烧结温度对陶瓷材料显微结构及力学性能的影响。

结果表明，随着烧结温度的升高,Ti s SiQ/SiC 陶瓷材料的弯曲强度先提高后降低。

烧结温度为1 500 t 的陶瓷材料力学性能最佳,其密度为 4.88 g/cm _3。

关键词：Ti 3SiC 2；陶瓷;弯曲强度;微观结构中图分类号：O469 文献标志码：A DOI ：10.14139/22-1228.2021.02.003航空发动机热端、航天飞机热防护系统和火箭发动机喷管等部件亟须由具有耐高温、高强度、高韧性和线性力学行为的材料制造而成。

相对于传统金属材料而言,陶瓷材料具有强度高、高温稳定性好、化学稳定性强和线性力学行为等优异性能。

但由于陶瓷材料本身脆性问题，其强韧化一直是陶瓷材料研究的核心问题之一[1-4]。

Ti 3SiC 2[5,6 ]既具有金属的性能，即常温下有很好的导热、导电性能，有较低的维氏硬度、较高的弹性模量,有延展性，可像金属和石墨一样进行机械加工；同时,它又具有陶瓷的性能，即高屈服强度、高熔点、高热稳定性和较好的自润滑性能。

Ti 3SiC 2 添加到 Al 2O 3[7],2D C/SiC ⑻ 或 SiC f /SiC [9]中有助于改善界面结合强度，从而提高材料的强韧性。

烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响

烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响龙岩学院毕业论文（设计）题目：烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响学院：化学与材料学院专业：材料科学与工程学号：2011061502作者：星光指导教师(职称)：吴鹏（讲师）二0一五年二月一日1 引言材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。

材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。

值得注意的是，现代先进科技的迅速发展，恶劣的工作环境(高温、腐蚀、磨损等)使得对材料的应用提出了越来越苛刻的要求。

对材料的质量、强度、韧度、抗氧化性及腐蚀性等提出更高的要求。

因为传统的单一材料根本无法满足人类目前以上性能的需求，因此人们必须寻找一种新的材料。

在新型材料研究、开发和应用，在特种性能的充分发挥以及传统材料的改性等方面，材料科学都肩负着重要的历史使命[1]。

于是，工程结构陶瓷便应运而生。

它是伴随现代科学和工程技术的发展以及世界能源危机而兴起的一个新的陶瓷材料领域，近年来发展十分迅猛,研究成果日新月异，已成为无机材料体系中的一大分支[2]。

1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况Ti(C,N)基金属陶瓷，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中陶瓷相约占l5 %～85 %(体积比) ，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相之间的溶解度相当小[3]。

Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、良好的热导率和化学稳定性、优异的抗蠕变性、极低的摩擦因数，因而受到国内外的普遍关注[4-5]。

在1950年TiC金属陶瓷烧结工艺成功开始，人们把大量的目光聚集到切削工具材料上来，通过加入碳化物来增强硬质相。

到90年代初，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额的30 %[6]。

当用其做刀具时，其使用寿命也比硬质合金高，如图1所示[7]。

图1 切削铸铁GGG40时金属陶瓷与其它刀具寿命的比较金属陶瓷既有陶瓷的高强度、高硬度、抗高温和抗氧化等优良性能，又有金属的韧性。

烧结工艺对透明氧化铝陶瓷性能的影响

烧结工艺对透明氧化铝陶瓷性能的影响摘要：透明氧化铝陶瓷作为一种具有优异特性的无机材料，广泛应用于光学、电子、化工等领域。

烧结工艺是制备透明氧化铝陶瓷的关键步骤之一，直接影响其性能。

本文以透明氧化铝陶瓷为研究对象，探讨了烧结工艺对其性能的影响，并分析了烧结温度、烧结时间、添加剂等因素对透明氧化铝陶瓷的影响机制。

通过实验研究和数据分析，得出了烧结工艺优化的建议和结论，为提高透明氧化铝陶瓷的性能提供了理论和实践依据。

关键词：透明氧化铝陶瓷；烧结工艺；性能；烧结温度；烧结时间引言透明氧化铝陶瓷的研究背景可以追溯到对透明陶瓷的需求和发展。

传统的陶瓷材料具有较好的机械性能和化学稳定性，但在透明度方面存在一定的局限性。

因此，人们开始寻求开发具有透明性能的陶瓷材料，以满足光学、电子和其他领域的高级应用。

当前，透明氧化铝陶瓷的研究主要集中在材料合成改进、工艺优化、性能提升和创新应用开发等方面。

通过不断的研究和探索，透明氧化铝陶瓷有望在更广泛的领域中发挥重要作用，并为相关技术和产业的发展做出贡献。

1.烧结工艺对透明氧化铝陶瓷性能的影响1.1烧结温度对透明氧化铝陶瓷性能的影响随着烧结温度的升高，透明氧化铝陶瓷的晶粒尺寸增大，并且结晶度也提高。

较高的烧结温度可以促进晶粒长大与结晶度的增加，从而改善陶瓷的光学和机械性能。

烧结温度对透明氧化铝陶瓷的致密度具有显著影响。

一般来说，较高的烧结温度有利于颗粒间的熔合和结合力的增强，从而提高陶瓷的密度和致密度。

这将直接影响到材料的透明度和强度。

透明氧化铝陶瓷的透明度主要受烧结温度和晶粒尺寸的影响。

较高的烧结温度可以促进晶粒长大和晶界的消失，从而提高陶瓷的透明度。

然而，温度过高可能导致晶粒长大过快，引起不均匀的尺寸分布，从而降低透明度。

烧结温度的选择对透明氧化铝陶瓷的机械性能也具有重要影响。

合适的烧结温度可以提高材料的硬度、强度和韧性，从而增加陶瓷的抗磨损性能和耐用性。

1.2烧结时间对透明氧化铝陶瓷性能的影响较长的烧结时间有利于晶粒的生长和结晶度的提高。

烧结工艺对压电陶瓷材料性能的影响

烧结工艺对压电陶瓷材料性能的影响摘要本文以传统的P-4材料为依托进行实验，分析讨论了烧结温度对压电陶瓷的介电、压电性能的影响，并研究了升温速度和保温时间对压电陶瓷的介电、压电性能的影响。

实验结果表明，升温速度过快时材料致密性下降，烧结温度1280 ℃下保温2 h，升温时间为10 h，可以得到一种综合性能优良的压电材料。

关键词烧结工艺；压电材料；晶粒PZT压电陶瓷由于具有居里温度高、压电性强、易掺杂改性、稳定性好等特点，自20世纪60年代以来，一直是人们关注和研究的热点，在压电陶瓷领域中占主导地位。

就PZT压电陶瓷的制备工艺而言，配方是基础，烧结是关键，烧结的好坏直接影响压电陶瓷材料的各种性能。

烧结过程是气孔排出、晶粒尺寸与形状变化的过程，烧结温度的高低、升温速度的快慢及保温时间的长短都可影响传质原子的扩散系数，影响晶界的迁移快慢，从而影响陶瓷的晶粒尺寸、晶粒数量以及气孔的形貌和数量，进一步影响到材料的介电、压电性能。

1 实验过程本文以传统的P-4才材料为依托进行实验，取纯度合格的原材料，经过配料、混和、烘干、预压、预烧、粉碎、增塑造粒、成型，制成圆片状毛坯，排胶后样品在1240 ℃、1260 ℃、1280 ℃、1300 ℃四个温度下进行密封烧结，分别保温1 h~3 h，烧结后的样品机械加工成Φ50×5（mm），后被银、极化，静置24 h后测量。

2 主要影响因素2.1 烧结温度表1为不同烧结温度时样品的相对介电常数εr、介质损耗tgδ、机械品质因数Qm及机电耦合系数kp。

从表中可以看出，烧结温度为1280 ℃时，εr、Qm、kp达到最大值，而tgδ达到最小。

烧结是颗粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶瓷晶粒生长过大或组织机构不均匀，还会促进二次结晶，而烧结温度过低则会导致晶粒发育不完全。

由于陶瓷的电性能很大程度上依赖晶粒的大小，当烧结温度偏低时，晶粒尺寸较小导致瓷体致密度、气孔率高，所以介电常数较低。

陶瓷材料的烧结工艺与力学性能关系

陶瓷材料的烧结工艺与力学性能关系陶瓷材料是一种重要的材料，具有很高的硬度、耐磨性和耐高温性能。

而陶瓷材料的烧结工艺是影响其力学性能的关键因素之一。

本文将从烧结工艺的影响、力学性能的变化以及应用案例三个方面来论述陶瓷材料的烧结工艺与力学性能的关系。

一、烧结工艺的影响烧结是将陶瓷粉末加热到一定温度，使其颗粒之间产生相互作用，形成致密的陶瓷材料的过程。

烧结工艺的参数设置直接影响到陶瓷材料的结构和性能。

首先是烧结温度，烧结温度过高容易引起晶界液相的出现，从而影响到陶瓷材料的硬度和韧性。

其次是保温时间，过长的保温时间会导致陶瓷晶粒长大，影响其致密性和力学性能。

另外，烧结压力和加热速率也会对烧结中的物理化学过程产生影响，进而影响到陶瓷材料的力学性能。

二、力学性能的变化陶瓷材料的力学性能包括硬度、韧性和强度等指标，而这些指标的变化与烧结工艺密切相关。

首先是硬度，烧结工艺中的晶界液相会导致晶体结构的破坏，从而降低陶瓷材料的硬度。

其次是韧性，烧结温度和保温时间对陶瓷晶粒大小以及晶界结构的形成都有较大影响，合理调控这些参数可以提高陶瓷材料的韧性。

最后是强度，烧结过程中的压力和加热速率对于陶瓷材料内部的结构形成具有重要的影响，进而影响到其力学强度的提升。

三、应用案例陶瓷材料在众多领域中有广泛的应用，比如陶瓷瓷砖、陶瓷刀具以及陶瓷陶瓷材料。

其中，烧结工艺对于这些应用中的陶瓷材料的力学性能有着重要的影响。

以陶瓷瓷砖为例，合理控制烧结温度和保温时间可以提高瓷砖的硬度和耐磨性，增强其使用寿命。

对于陶瓷刀具来说，通过调控烧结工艺可以提高刀具的韧性和强度，提高切割效果和耐用性。

而在航空航天和核工业等领域，陶瓷材料的高温性能是一个重要的考虑因素，合理的烧结工艺可以提高陶瓷材料的耐高温性能，确保其在极端环境下的应用。

综上所述，陶瓷材料的烧结工艺与力学性能之间存在着密切的关系。

通过合理调控烧结工艺参数，可以改善陶瓷材料的力学性能，提高其硬度、韧性和强度等指标。

烧结温度对CuAlO2陶瓷电性能的影响

第45卷第2期2019年2月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.45No.2Feb.2019烧结温度对CuAlO 2陶瓷电性能的影响朱满康,马丙闯,郑木鹏,侯育冬(北京工业大学材料科学与工程学院,北京　100124)摘　要:为了提高CuAlO 2陶瓷的电导率,满足其在热电器件使用中的要求,以Cu 2O㊁Al 2O 3为原料,铝硅酸盐玻璃为添加剂,采用两步固相烧结法制备了CuAlO 2(CAO)陶瓷,研究烧结温度对CAO 陶瓷电导率的影响.实验发现:随着烧结温度的上升,CAO 陶瓷的密度㊁晶粒尺寸和电导率逐渐增大.烧结温度为1175℃时,CAO 陶瓷的表观密度和相对密度达到最大值,分别为4.408g /cm 3和95.8%.当烧结温度达1200℃时,CAO 陶瓷晶粒生长发育完整,呈现多边形结构,且其电导率达到最大(2.42S /m),比1050℃的样品高了近10倍.阻抗谱分析表明,烧结温度对CAO 陶瓷电导率的改善主要来自于晶粒阻抗的贡献.关键词:铝酸铜陶瓷;烧结温度;铝硅酸盐玻璃;电性能中图分类号:TB 321文献标志码:A文章编号:0254-0037(2019)02-0186-05doi :10.11936/bjutxb2017110020收稿日期:2017⁃11⁃07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51172006)作者简介:朱满康(1963 ),男,副教授,主要从事新型压电/铁电材料及其器件方面的研究,E⁃mail:zhumk@Influence of Sintering Temperature on Electrical Propertiesof CuAlO 2CeramicsZHU Mankang,MA Bingchuang,ZHENG Mupeng,HOU Yudong(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract :To improve the conductivity of CuAlO 2ceramics,it is necessary to meet the requirements of thermoelectric devices.The delafossite CuAlO 2(CAO )ceramics was made of Cu 2O,Al 2O 3and aluminosilicate glass powder with traditional solid sintering method.The influence of sintering temperature on the conductivity of CAO ceramics with aluminum silicate glass was studied.Results show that the density,grain size and electrical conductivity of CAO ceramics increase gradually with increasing sintering temperature.The apparent density and relative density of CAO ceramics reach maximum,4.408g /cm 3and 95.8%,respectively,when the sintering temperature is up to 1175℃.When the sintering temperature comes up to 1200℃,the grains of CAO ceramics develop fully and the shape of grainsbecomes polygon.The electrical conductivity reaches its maximum,2.42S /m,which increases by nearly 10times as much compared with 1050℃.The impedance spectrum analysis shows that with increasing sintering temperature,the improvement of the electrical conductivity of CAO ceramics is mainly due to the contribution of grain impedance.Key words :CAO ceramics;sintering temperature;aluminosilicate glass;electrical properties 热电材料引起了人们的广泛关注,是因为它具有将热能转换成电能的特性.但是由于其热电转换效率低,热电材料尚未在工业上得到广泛应用[1⁃2].热电材料的性能一般用性能指标Z (Z =σ㊃S 2/k ,式　第2期朱满康,等:烧结温度对CuAlO2陶瓷电性能的影响中:S为塞贝克系数;σ为电导率;k为热导率[3])来评定的,而电导率σ是提高热电能量转换性能的关键因素.2001年,Koumoto等[4]首次报道了CAO的热电性能.由于其在高温条件下能够长期使用,因此CAO被认为是最具有应用前景的热电材料之一[5⁃6].但是,CAO烧结活性差,致密度低,致使其陶瓷的电导率低,在热电器件上的应用受到了限制.近年来,为提高电导率,改善CAO陶瓷的致密度成为研究的焦点之一.Sakulka等[7]和Park等[8]分别以Ag2O和Fe2O3为添加剂,获得了相对密度接近90%的CAO陶瓷.但是与纯CAO陶瓷相比,添加Ag2O的CAO陶瓷的电导率仅提高了5倍,不能满足热电应用的需要,其原因可能是烧结过程中Ag 的析出形成非连续结构,不利于电导率的提升[7].本文通过加入适量的作为烧结助剂的铝硅酸盐玻璃提高了CAO陶瓷的密度和电导率,研究了烧结温度对CAO陶瓷的微观结构和电导率的影响,并通过电学阻抗谱技术分析了其导电机制.1　实验1.1　样品制备以分析纯Cu2O㊁Al2O3为原料,铝硅酸盐玻璃为烧结助剂,采用两步固相烧结的方法制备CAO 陶瓷.铝硅酸盐玻璃熔块的原料成分如表1所示,其软化温度在1050~1100℃.按表1所列组成称取氧化物原料,均匀混合后在1600℃融化,淬冷至室温,得到铝硅酸盐玻璃.表1　铝硅酸盐玻璃的组成Table1　Composition of aluminosilicate glass氧化物SiO2Al2O3CaO MgO Na2O K2O 质量分数/%68.7012.503.120.828.006.79 首先,按照CuAlO2的计量比称取Cu2O和Al2O3粉体,球磨12h并烘干后,1100℃煅烧4h,得到粉体.再将煅烧后的粉体和质量分数为9.5%的玻璃粉体放入球磨罐中,混合球磨10h后并烘干,以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)为黏结剂,压制成直径为11.5mm的坯体.坯体在560℃保温6h排除黏结剂,然后在不同的温度烧结3h,得到CAO陶瓷.1.2　测试与表征采用X射线衍射仪(X⁃ray diffractometor,XRD,D8Advance,Bruker,Germany)检测样品的晶体结构.采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM,S4800,Hitachi,Tokyo,Japan)观察样品的显微结构.根据阿基米德法,按标准(ASTM C373 88)的方法测定样品的表观密度.陶瓷片经两面抛光后,溅射Au电极,用于陶瓷电学性能测量.溅射Au电极的样品在450℃退火30min,以实现电极和陶瓷的Ohm接触.采用数字源表(2410,Keithley,USA)测量样品的直流电导率.采用阻抗分析仪(Concept400,Novocontrol Technologies,Germany)测量样品的阻抗响应(0.1~ 10.0MHz).2　结果与分析图1　不同温度烧结的添加9.5%玻璃的CAO陶瓷的表观密度和相对密度Fig.1　Apparent density and relative density of CAO ceramics with9.5%glass added sintered atdifferent temperatures2.1　微观结构分析图1呈现了添加质量分数为9.5%玻璃的CAO 陶瓷的表观密度和相对密度随着烧结温度增加而变化的趋势,插图为未添加玻璃的CAO陶瓷的表观密度和相对密度,插图中的纵㊁横坐标上量和单位同大图.当烧结温度低于1175℃时,CAO的密度迅速升高;当烧结温度高于1175℃时,CAO的密度逐渐下降;当温度为1175℃时,CAO的表观密度和相对密度达到最大,分别为4.408g/cm3和95.8%.Sakulka 等[7]和Park等[8]报道的CAO陶瓷的相对密度仅为90%.与之相比,以玻璃为烧结助剂的CAO陶瓷具有较高的致密度,有利于电导率的提高.而纯CAO 陶瓷烧结活性差,很难烧结致密,不同温度烧结得到的样品相对密度未超过70%(见图1的插图).由此可见,添加的玻璃明显改善了CAO的烧结活性.781北　京　工　业　大　学　学　报2019年图2为不同温度烧结添加玻璃的CAO陶瓷的XRD谱.当烧结温度为1050℃时,在XRD谱中除了铜铁矿结构CAO相(JCPDS75 1988)的衍射峰,还出现了Cu2O(JCPDS75 1531)的衍射峰,这是因为煅烧后的粉体烧结不充分.当烧结温度升高到1100℃时,XRD谱中只出现CAO的衍射峰,没有观察到其他杂相的衍射峰,表明CAO粉体烧结充分.继续升高温度到1200℃时,出现了CuO(JCPDS 89 5895)的衍射峰,这是因为此时的烧结温度超过了CAO的分解温度,导致部分CAO分解.烧结温度升高至1250℃时,CAO进一步分解为Cu2O和Al2O3(JCPDS 75 1864).图2　不同温度烧结添加9.5%玻璃的CAO陶瓷的XRD谱Fig.2　XRD patterns of CAO ceramics added with9.5% glass sintered at different temperatures图3显示了不同温度烧结的添加9.5%玻璃的CAO陶瓷的微观形貌.随着烧结温度的升高,CAO 陶瓷晶粒尺寸逐渐增大,颗粒间致密性也逐渐提高.当烧结温度达1200℃时,晶粒发育较完整,约为10μm,且呈现规则的多边形结构.同时,CAO晶粒相互接触,形成了有利于导电的网状结构.但是,烧结温度超过1250℃时,晶粒尺寸不均匀,形状不规则.CAO陶瓷微观结构的变化,与玻璃的作用密不可分.随着温度上升,铝硅酸盐玻璃的黏度逐渐下降,同时,其与CAO反应能力也随之加剧,这有利于CAO陶瓷烧结致密.图4为1100℃得到的CAO陶瓷的能量色散(X⁃ray energy dispersive, EDX)谱.由图4可见,晶粒间的玻璃相中铜的原子百分比高达10.9%,表明铜在玻璃中有高的溶解度.铜在玻璃相中的高溶解度表明,添加玻璃后,陶瓷的烧结过程存在的烧结机制为溶解-沉淀机制[9⁃10].此时,随着温度的升高,CAO与玻璃发图3　不同温度烧结的添加9.5%玻璃的CAO陶瓷的微观形貌SEMFig.3　SEM of CAO ceramics added in9.5%glass with different sintering temperatures生反应,铜溶入到玻璃中.当铜在玻璃中达到饱和时,就会从玻璃中析出CAO,使CAO陶瓷晶粒不断长大,并趋于致密化.此外,CAO颗粒在毛细作用下发生重排,也会促进CAO陶瓷的致密.温度继续升高,CAO分解,晶粒大小不均,导致CAO陶瓷的密度快速下降.图4　位于图3中A处的CAO陶瓷的EDX谱Fig.4　EDX spectrum of CAO ceramicslocated at point A in Fig.3图5给出了烧结温度不同的CAO陶瓷的元素面分布.1200℃的样品Cu和Al分布均匀,表明CAO没有分解.而1275℃的样品中,Cu和Al出现了不均匀分布的现象,表明CAO分解,与XRD谱的结果一致.881　第2期朱满康,等:烧结温度对CuAlO2陶瓷电性能的影响图5　不同温度烧结的CAO陶瓷的元素分布Fig.5　Element mapping of CAO ceramics withdifferent sintering temperature2.2　电性能分析从图6可以看出,随着温度上升,添加9.5%玻璃的CAO陶瓷的电导率逐渐增大.当烧结温度为1200℃时,CAO的电导率达2.42S/m.而未添加玻璃的CAO陶瓷由于烧结活性比较差,晶粒长大缓慢,电导率几乎没有变化.与未添加玻璃的CAO陶瓷相比,添加玻璃的CAO陶瓷的电导率提高了将近10倍,这说明添加的玻璃促进陶瓷致密,同时也提高了其电导率.CAO陶瓷电导率的变化与微观结构㊁相结构有关.由图3可知,随着烧结温度的提高,CAO陶瓷的晶粒逐步长大和发育,导致晶界减少,降低了载流子在晶界附近的散射概率,同时,晶粒发育可使缺陷减少,有利于降低界面Schottky势垒的高度[11⁃12].此外,由XRD分析可知,随着温度的升高,杂相(Cu2O)逐渐消失,相结构纯化,有利于构建导电网络.因此,适当地提高烧结温度可以使CAO陶瓷　图6　不同温度烧结的CAO陶瓷的电导率Fig.6　Conductivity of CAO ceramics with differentsintering temperatures的电导率得到提高.但是,当烧结温度超过1200℃时,由于CAO分解,陶瓷的电导率急剧下降.为探究CAO陶瓷的电导率随着烧结温度变化的原因,对不同温度烧结的CAO陶瓷进行了阻抗分析.图7给出了不同烧结温度的CAO陶瓷的奈奎斯特图.由图7可见,不同样品的奈奎斯特图均表现为非对称的压扁的半圆,表明其阻抗可能来自不同的起源[13⁃15].对于非对称压扁的半圆奈奎斯特图,一般可以由2个Voigt元件并联而成的等效电路模拟.表2给出了根据等效电路拟合所得的参数.图7　不同温度烧结的CAO陶瓷在-135℃测得的奈奎斯特图Fig.7　Nyquist diagram of CAO ceramicstested at-135℃表2　等效电路的元件参数Table2　Parameters derived from the equivalent circuitt/℃RⅠ/M W CPEⅠ/(GΩ-1㊃cm-2㊃s-n)nⅠRⅡ/M W CPEⅡ/(GΩ-1㊃cm-2㊃s-n)nⅡ10504.950.0110.974.560.0220.95 11000.4150.0250.951.220.0710.91 11500.2700.0220.951.040.0560.91 11750.0570.0670.960.700.0230.94 12000.0300.0850.890.211.9500.73 12500.1240.0340.940.430.0850.90 12750.8190.0160.963.510.0370.92981北　京　工　业　大　学　学　报2019年根据等效电路及表2中的元件参数值,可以确定2个Voigt 元件的松弛频率.计算表明,Voigt Ⅰ元件的松弛频率远高于Voigt Ⅱ元件.例如,烧结温度为1200℃的CAO 陶瓷的松弛频率f Ⅰ和f Ⅱ分别为3.7×105㊁1.7×104Hz.因此,可以认为,Voigt Ⅰ元件代表晶粒的电学响应,而Voigt Ⅱ元件代表晶界的电学响应.图8为晶粒和晶界的电导随温度的变化曲线.由图8可见,随着烧结温度的上升,晶粒电导(Y g )的变化幅度远远大于晶界电导(Y gb )的变化幅度,因此,CAO 陶瓷的体电导率变化主要来源于晶粒电导的变化.图8　不同温度烧结的CAO 陶瓷的晶粒和晶界电导Fig.8　Conductivity of grain and grain boundary of CAOceramics sintered at different temperatures3摇结论1)烧结温度为1175℃时,CAO 陶瓷最致密,相对密度达到最大值,为95.8%.2)烧结温度为1200℃时,CAO 陶瓷晶粒发育较为完整,晶粒形状为多边形,并且电导率达到最大值,为2.42S /m.3)阻抗分析表明,烧结温度对CAO 陶瓷的电导率的改善主要由于晶粒电导的改变.参考文献:[1]SUN Y,NGO V N,NINI P,et al.The effect of (Ag,Ni,Zn)⁃addition on the thermoelectric properties of copper aluminate[J].Materials,2010,3(1):318⁃328.[2]HICKS L D,DRESSELAUS M S.Effect of quantum⁃wellstructures on the thermoelectric figure of merit [J ].Physical Review B,1993,47(19):12727.[3]WANG Y,GONG H,ZHU F,et al.Optical and electricalproperties of p⁃type transparent conducting CuAlO 2thin films prepared by plasma enhanced chemical vapordeposition [J ].Materials Science and Engineering B,2001,8(5):131⁃134.[4]KOUMOTO K,KODUKA H.Thermoelectric properties ofsingle crystal CuAlO 2with a layered structure [J].Journal of Materials Chemistry,2001,11(2):251⁃252.[5]KIZAKI H.First⁃principles materials design of CuAlO 2based dilute magnetic semicoriducting oxide [J].Journalof Applied Physics,2005,4(4):38⁃42.[6]KAWAZOE H,YANG H,KAZU U.Transparent p⁃typeconductingoxides:designandfabricationofp⁃nheterojunctions [J].MRS Bulletin,2000,25(8):28⁃36.[7]SAKULKA A,SAKADA R.Power factor improvement ofdelafossite CuAlO 2by liquid⁃phase sintering with Ag 2O addition [J ].Materials Science in SemiconductorProcessing,2016,5(6):313⁃323.[8]PARK K,KWON H C,NAHM S,et al.Improvement inthermoelectric properties of CuAlO 2by adding Fe 2O 3[J].Journal of Alloys and Compounds,2007,437(1/2):1⁃6.[9]KINGERY W D.Densification during sintering in the presence of a liquid phase [J ].Journal of Applied Physics,1959,30(3):301⁃306.[10]KANIK,TOSHINOBUYY,MIYAYIY.Semiconducting glass⁃ceramics based on the CuAlO 2⁃SiO 2system [J].High Techology Ceramics,1987,3:297⁃307.[11]LEE K R,LEE J H,YOO H I.Grain size effect on theelectrical properties of nanocrystalline ceria [J].Journalof the European Ceramic Society,2014,34(10):2363⁃2370.[12]SEKULI D L,LAZAR Z Z,JOVALEKIC C D,et al.Impedance spectroscopy of nanocrystalline MgFe 2O 4andMnFe 2O 4ferrite ceramics:effect of grain boundaries on the electrical properties [J].Science of Sintering,2016,48(1):17⁃28.[13]GERHARDT R.Impedance and dielectric spectroscopyrevisited:distinguishing localized relaxation from long⁃range conductivity [J].Journal of Physics and Chemistry of Solids,1994,55(12):1491⁃1506.[14]WANG Y,CHENG L,ZHU M K,et al.Investigation onmicrostructure and electrical properties of CuAl 1-x Y x O 2ceramics by electrical impedance spectroscopy [J ].Journal of Alloys and Compounds,2016,654:455⁃459.[15]HU B B,ZHU M K,GUO J J,et al.Origin of relaxorbehavior in K 1/2Bi 1/2⁃TiO 3⁃Bi (Mg 1/2Ti 1/2)O 3investigatedby electrical impedance spectroscopy [J ].Journal of American Ceramic Society,2016,99(5):1637⁃1644.(责任编辑　吕小红)91。

烧结温度对Cu-Ni-NiO-NiFe2O4金属陶瓷性能的影响

文章编号:１００７－９６７X(２０１９)０４－２５－０４烧结温度对C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷性能的影响∗∗∗张㊀啸,张志刚,罗洪杰,姚广春(东北大学冶金学院,辽宁沈阳１１０８１９)摘㊀要:采用两步烧结法制备C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷,重点研究了烧结温度对金属陶瓷材料收缩率㊁孔隙率㊁抗弯强度㊁抗热震性能和微观组织结构的影响以及烧结致密化机理.研究结果表明:随着烧结温度的升高,样品的收缩程度和抗热震性能逐渐增大㊁孔隙率逐渐减小;烧结温度为１２２５ħ,样品的最大水平收缩率为１０．２％㊁垂直收缩率为９．４％和最小孔隙率为４．８％;样品的弯曲强度随烧结温度升高呈先增大后减小趋势,在１２００ħ时获得最大值１１７．０M P a.随着烧结温度的升高,样品的抗热震性能迅速提高.关键词:C u－N i－N i O－N i F e２O４;金属陶瓷;烧结温度;抗弯强度;抗热震性能中图分类号:T F１２５㊀㊀㊀文献标识码:A ０㊀前㊀言近年来,我国电解铝工业生产取得了很大进展,但在节碳减排方面仍存在着诸多问题.使用惰性阳极代替传统的消耗式碳素阳极,可避免温室气体二氧化碳㊁致癌物质氟碳化和物和多环芳烃等的排放[１~４].目前铝电解惰性阳极材料的研究主要集中在合金阳极[５,６]和金属陶瓷阳极[７~９]两大类.其中, N i F e２O４基金属陶瓷以其优异的性能成为最有前途的铝电解惰性阳极材料之一.经过多年研究, N i F e２O４基金属陶瓷惰性阳极的烧结制备技术取得了较大的突破,样品的致密度和各项机械性能都得到了大幅度提高,但仍无法满足铝电解工业要求,需要进一步通过调整材料构成以及制备方法提升材料综合性能.国外挪威科技大学的研究结果表明[１０,１１],N i O 作为第二相陶瓷颗粒,能促进N i F e２O４基体材料烧结致密化过程,增强材料耐腐蚀性和提高材料的稳定性.国内的秦庆伟[１２]研究发现添加适量N i O的N i F e２O４－N i O复合陶瓷可降低F e元素的优先腐蚀和减缓腐蚀速率.田忠良和段华南[１３,１４]研究也发现,适当过量的N i O可提高N i－N i F e２O４－N i O 和C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷的耐腐蚀性能,降低电解质的杂质总含量.N i F e２O４基金属陶瓷中,金属相的研究主要集中在C u㊁N i及C u－N i合金.田忠良[１５]㊁张㊀雷[１６]和赖延清[１７]等分别研究了C u㊁N i及C u－N i合金对N i F e２O４基金属陶瓷性能的影响,研究结果表明:在合适的烧结温度下,添加适量的金属相都可以起到提高材料导电性和致密度的作用.考虑到金属相与陶瓷相之间的润湿状况,与单一组成金属相相比,C u－N i合金作为金属相有着更明显的优势.马佳[１８]㊁张㊀刚[１９]和刘㊀恺[２０]分别研究了烧结气氛对N i F e２O４基金属陶瓷性能的影响,研究结果表明:严格控制氧分压,能有效避免金属相的烧结氧化,有利于促进金属相的均匀分布,提高材料的力学性能㊁致密度和导电性.烧结温度对金属陶瓷材料的性能影响巨大,烧结温度过高,金属相易溢出,出现过烧现象;烧结温度过低,材料致密度不够,出现欠烧现象.因此,本文依据已有的研究结果,添１７w t．％(８５C u－１５N i)混合金属粉为金属相,在氩气保护气氛中进一步研究烧结温度对C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷惰性阳极性能的影响,确定优化的烧结温度.１㊀实㊀验１．１㊀基体材料的制备以F e２O３(分析纯,含量以F e计,为６９．８％~７０．１％)和N i O(工业级,含量N i计,N i％ȡ７４．０％)为原料,按合成N i F e２O４尖晶石化学计量比计算的基础上,N i O过量１５w t．％.以蒸馏水为介质,将原料球磨混合均匀后干燥,然后在２００M P a下模压成第３５卷第４期２０１９年８月有㊀色㊀矿㊀冶N O N－F E R R O U SM I N I N GA N D M E T A L L U R G Y V o l．３５．ɴ４A u g u s t２０１９∗∗∗基金项目:中央高校基本科研业务专项资金资助项目(N１８２５０４０１５).收稿日期:２０１９－０４－２６作者简介:张㊀啸(１９８６ ),男,博士研究生,主要研究方向为轻金属功能电极材料的制备与性能研究.型,最后在空气气氛中将生坯于１２００ħ下烧结保温６h得到块状基体材料,然后破碎筛分获得粒径小于７４μm的N i O－N i F e２O４陶瓷基体粉末.１．２㊀C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷的制备在N i O－N i F e２O４基体粉末中添加１７w t．％的混合金属粉(C u粉８５w t．％,N i粉１５w t．％,均为分析纯,ȡ９９．５％),以无水乙醇为介质,通过球磨混合均匀后干燥得到混合粉末;添加５％聚乙烯醇黏结剂进行研磨造粒,然后在２００M P a下模压制成的长条形生坯(尺寸为６５m mˑ１２m mˑ８m m);最后在氩气气氛中(氧分压位２~８P a)分别在１１２５ħ㊁１１５０ħ㊁１１７５ħ㊁１２００ħ和１２２５ħ下烧结保温５h 得到C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷样品.１．３㊀性能检测采用游标卡尺对烧结前后样品进行尺寸测量并计算烧结过程中收缩比(烧结前后差值与烧结前测量值之比);采用阿基米德排水法测量样品的孔隙率;采用I n s r o n４２０６－００６型万能电子机械试验机对样品的抗弯强度进行测定;通过热震断裂次数表征样品的抗热震性能;采用S S X－５５０型扫描电镜对金属陶瓷样品的微观形貌进行表征.２㊀结果与讨论２．１㊀烧结温度对C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷收缩比的影响致密度是金属陶瓷材料一个重要的性能指标,而在烧结前后的尺寸变化比率即收缩比能直观的表现出样品的致密度.为考察烧结温度对试样烧结收缩程度的影响,对烧结前后试样的三维尺寸进行测量,计算出样品在长㊁宽和厚不同方向的烧结收缩比,结果如图１所示.图１㊀烧结温度对样品收缩比的影响F i g．１㊀E f f e c t o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o n t h e s a m p l e s h r i n k a g e从图１中可以发现,样品的长度㊁宽度和厚度的收缩比均随着烧结温度的升高而变大.烧结温度从１１２５ħ增长到１２００ħ时,样品收缩比随烧结温度变化呈线性变化趋势;当烧结温度从１２００ħ升到１２２５ħ时,样品收缩比的上升幅度明显减缓.从图２所示的C u－N i二元合金相中可以看出,烧结温度从１１２５ħ提升到１２００ħ时,金属相铜镍固体合金逐渐熔化成液相,最后完全转变成液相.金属相以液相形式存在,可以明显增强烧结过程中物质传输速率,促进烧结过程中试样的收缩致密化,并且随液相含量的增加,增强效果越来越明显.因此,随着烧结温度升高,试样收缩比逐渐增大.烧结温度在１２００ħ到１２２５ħ范围内,金属相全以液相形式存在,液相对烧结促进作用不明显,物质扩散速率虽然随着烧结温度升高而增大,但提高幅度相对较小,因此试样收缩比的变化趋势变缓.另外,从图１中还可以发现,试样在长和宽方向(垂直于压制方向)的收缩比要高于厚度方向(平行于压制方向)的收缩比.这是因为在模压成型过程中,成型压力直接作用于厚度方向,生坯在厚度方向的致密度高于长度和宽度方向,在随后的烧结过程中,相对致密方向的收缩程度相对较小,因此试样在长度和宽度方向的收缩比要比厚度方向相对较大.图２㊀C u－N i二元合金相图F i g．２㊀C u－N i b i n a r y d i a g r a m ２．２㊀烧结温度对C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷孔隙率与抗弯强度的影响图３为C u－N i－N i O－N i F e２O４金属陶瓷孔隙率和抗弯强度随烧结温度的变化趋势.图３中曲线表面,随着烧结温度的升高金属陶瓷样品的孔隙率持续降低,抗弯强度则是呈现出先升高后降低的趋势,在１２００ħ取得最大值１１７M P a.烧结温度从１１２５ħ升高到１２００ħ时,金属陶瓷样品的孔隙率从１１２５ħ时的１３．２％降低到１２００ħ时的５．０％,６２有㊀色㊀矿㊀冶㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷而样品的抗弯强度从７５．０M P a 升高到１１７．５M P a ,二者都呈现出较大的变化幅度;烧结温度升高到１２２５ħ时,金属陶瓷样品的孔隙率仅仅下降到４．８％,降幅相对较小,抗弯强度略微下降到１１４．０M P a.图３㊀烧结温度对样品抗弯强度和孔隙率的影响F i g ．３㊀E f f e c t o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e o nb e n d i n gs t r e n g t ha n d p o r o s i t y o f s a m pl e 在烧结过程中,材料的致密化主要依靠固体颗粒间的粒子扩散实现的.材料的粒子扩散能力一般使用原子扩散系数D 表征,其与本文重点研究的烧结温度之间存在如式(１)所示的关系[２１]:D＝D ０e x p (－ΔG /R T )(１)式中:әG 是自扩散激活能;R 是气体常数;T是热力学温度;D ０是指前因子.式(１)表明烧结温度对材料颗粒的原子扩散系数影响很大,原子扩散系数相对烧结温度呈指数规律变化,材料扩散能力随温度升高迅速上升.在较低的温度下进行烧结,材料粒子扩散主要发生在颗粒表面,当烧结温度升高到一定程度,表面扩散逐渐转变为颗粒整体的体积扩散.烧结可以大致分为三个分界不明显的阶段:烧结初期(颗粒粘接)㊁烧结中期(烧结颈长大)以及烧结后期(闭空隙缩小)[２２].在较低的烧结温度条件下,颗粒间的变化类似烧结初期,颗粒之间仅仅发生粘接,颗粒表面的物质向颗粒间的原始接触点或面迁移,形成最初的烧结颈.在这个状态下,颗粒间的结合强度低,气孔大多依然处于连通状态,颗粒之间的扩散系数小,原子扩散不充分.随着烧结温度的升高,物质的扩散也会加快,颗粒中的粒子大量向颗粒间的最初烧结颈迁移,使得烧结颈长大,颗粒间距减小,排列更紧密.由于晶粒长大,晶界也随之迁移,在这一过程中,孔隙大量消失,烧结材料整体收缩,密度和强度获得提升.在烧结后期,剩余的孔隙被封闭,形成闭孔,闭孔体积不断减小甚至消失,闭孔的消失和孔隙数量的减小,实现了烧结致密化,气孔率缓慢降低[２３].当烧结温度达到１２００ħ时,理论上金属相已经完全液化,随着温度升高,气孔率的进一步降低主要取决于烧结温度对陶瓷基体烧结过程的促进作用,但其作用效果不如金属相由固相向液相转变带来的促进效果.因此在１２００ħ以后,烧结体的气孔率变化幅度不明显.金属陶瓷材料因脆性较大,强度一般采用抗弯强度进行表征.材料的抗弯强度主要取决于材料化学组成㊁晶体结构类型㊁试样的形状㊁表面粗糙度㊁晶粒尺寸和孔隙率等因素[２４,２５].本文中制备的金属陶瓷材料样品保证了前四个因素基本一致,因此试样的抗弯强度主要受晶粒尺寸和孔隙率的影响.抗弯强度与晶粒尺寸㊁孔隙率的关系[２６]如式(２)(３):σ＝σ０＋Kd －１/２(２)τ＝τ０ex p (－b p )(３)式中:σ为材料强度,σ０为材料屈服强度;K 为常数,d 是晶粒尺寸;τ是孔隙率为p 的样品的强度,τ０是实体材料(孔隙率为０)的强度,b 是常数.从上述式(２)和(３)可知,陶瓷强度与晶粒尺寸和气孔率密切相关,晶粒尺寸越小,材料强度越高,孔隙率越小,样品承受载荷的有效面积越大,强度也越大.图４㊀不同烧结温度下惰性阳极样品断裂形貌扫描图F i g ．４㊀S E Mi m a g e s o f c r o s s s e c t i o no fN i F e ２O ４c e r m e t s s i n t e r ed i nd i f fe r e n t t e m pe r a t u r e ７２第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张㊀啸等:烧结温度对C u －N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷性能的影响图４是不同温度烧结得到样品断面的微观形貌.１１２５ħ和１１５０ħ烧结时,烧结温度相对较低,晶粒长大程度相对较小,晶粒间的结合强度不足,孔隙率较大,故而样品的抗弯强度不高.随着烧结温度提高到１２００ħ,晶粒长大程度较大,晶粒尺寸变大,样品的孔隙明显减少,晶界结合强度变强.此时孔隙率的减小对抗弯强度的有利影响起主导作用,要强于晶粒尺寸增大造成的不利影响,因此抗弯强度迅速上升.当温度超过１２００ħ以后,样品孔隙率的变化不大,晶粒尺寸依然有所增大,所以样品抗弯强度出现了略微降低.２．３㊀烧结温度对C u －N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷抗热震性能的影响金属陶瓷材料经受快速的温度变化会形成较大的热应力,在这种情况下材料抵抗强度降低和断裂的能力称为材料的抗热震性能.金属陶瓷材料的抗热震性能取决于材料自身的均匀性㊁气孔率及内部缺陷等等特性.本文测量抗热震性能的方法是:将试样放入已保温在９６０ħ的炉膛内１５m i n ,取出试样放在空气中自然冷却至室温,然后再放入炉内,重复这样的操作直至试样出现裂纹或断裂,记下重复操作的次数以表征该试样的抗热震性能[２３].图５㊀烧结温度对样品抗热震性能的影响F i g ．５㊀E f f e c t o f s i n t e r i n g t e m pe r a t u r e o n t h e r m a l s h o c k r e s i s t a n c ea １１２５ħ;b １１５０ħ;c １１７５ħ;d １２００ħ;e １２２５ħ图５是样品在热震实验后的实物图.实验的具体结果如下:１１２５ħ烧结的样品在１３次热震后出现细小裂纹,在１５次后断裂;１１５０ħ烧结的样品在１７次热震后出现细小的裂纹,在２０次后出现明显裂纹,直到３０次后裂纹始终存在,但样品并没有进一步受到破坏;１１７５ħ烧结的样品在２２次热震后出现极细小的裂纹,直到３０次后样品裂纹没有明显变化;而１２００ħ和１２２５ħ烧结的样品经过３０次热震后在显微镜下观察依然没有出现裂纹.一般研究认为经过热震后,金属陶瓷材料内部热应力的来源主要有两个.第一是材料中陶瓷相与金属相的热膨胀系数的差异.通常情况下,金属相的热膨胀率大于陶瓷相.在升温或者降温过程中,二者之间因为体积变化差异产生相应的拉应力和压应力,而金属相具有良好的韧性,不易被破坏,材料基体陶瓷相则成为热应力的主要破坏对象.第二个来源是材料在热震的温度变化过程中,样品的中心部位和表面存在温度差异.温差导致样品内外的膨胀大小不同,产生相应的压应力与拉应力,都将对材料产生不良影响.由于材料中的陶瓷相脆性大,对裂纹扩展的阻碍能力较小,裂纹一旦产生就容易融合生长变大.随着烧结温度的升高,金属陶瓷材料的致密化程度增加,孔隙率逐渐减小,晶界结合强度逐渐增强,在受热过程中裂纹不易产生,并且阻碍裂纹扩展能力增强,材料在热震过程中不易碎裂,抗热震性能逐步提升.综合上述分析结果,烧结温度为１２００ħ时获得的C u －N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷的综合性能较优.３㊀结㊀论(１)随着烧结温度的升高,C u－N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷的烧结收缩比逐渐增大,孔隙率逐渐减小,晶界结合强度逐渐增大,抗热震性能逐渐增强,抗弯强度呈先增大后降低的趋势,在１２００ħ时取得最大值.(２)烧结过程中金属相的液化能有效促进烧收缩行为,温度升高有利于提高原子扩散系数,促进烧结致密化过程.参考文献:[１]㊀T i a nZL ,L a iY Q ,L i ZY ,e t a l ．F u r t h e rD e v e l o pm e n t o n N i F e ２O ４－Ba s e dC e r m e t I n e r tA n o d e s f o rA l u m i n u mE l e c t r o l Ｇys i s [J ]．J OM ,２０１４,６６(１１):２２２９－２２３４．[２]㊀P a w l e k R P ．I n e r tA n o d e s :A n U p d a t e [M ]．L i gh t M e t a l s ２０１４．S p r i n g e rI n t e r n a t i o n a lP u b l i s h i n g,２０１４．W a r r e n d a l e ,P A :TM S ,２０１４,１０３９－１０４５．[３]㊀L iW．X．;Z h a n g G．;L i J ．;e t a l ．N i F e ２O ４－b a s e dc e r m e t i n Ｇe r t a n ode sf o r a l u m i n u me l e c t r o l ys i s [J ]．J OM ,２００９,６１(５):３９－４３．[４]㊀Z h a n g G ,L a iY Q ,T i a nZL ,e t a l ．P r e pa r a t i o no fN i c k e l F e r r i t eB a s e dC e r m e t s f o rA l u m i n u m E l e c t r o l ys i s [J ]．M a t e r i Ｇ８２有㊀色㊀矿㊀冶㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,２００３．[５]㊀H e l l eS ,B r o d uB ,D a v i sB ,e t a l ．I n f l u e n c e o f t h e i r o n c o n Ｇt e n t i nC u －N i b a s e d i n e r t a n o d e s o n t h e i r c o r r o s i o n r e s i s t a n c e f o ra l u m i n i u m e l e c t r o l y s i s [J ]．C o r r o s i o nS c i e n c e ,２０１１,５３(１０):３２４５－３２５３．[６]㊀G a l l i n o I ,K a s s n e rM E ,B u s c hR ．O x i d a t i o na n dc o r r o s i o no f h i g h l y a l l o y e dC u －F e －N i a s i n e r t a n o d em a t e r i a l f o r a l u Ｇm i n u me l e c t r o w i n n i n g i na s －c a s t a n dh o m o g e n i z e dc o n d i t i o n s [J ]．C o r r o s i o nS c i e n c e ,２０１２,６３:２９３－３０３．[７]㊀X i JH ,L i uY H ,Y a oGC ．E f f e c t s o f t e c h n o l o gi c a l c o n d i Ｇt i o n s o n p r o p e r t i e s o f i n e r t a n o d e s o fA g /N i F e ２O ４ce r m e t [J ]．M a t e r i a l s S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２００８．[８]㊀T i a nZL ,L a iY Q ,L i Z ,e t a l ．C u p －s h a p e d f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tN i F e ２O ４－b a s e dc e r m e t i n e r t a n ode sf o r a l u m i n u mr e Ｇd u c t i o n [J ]．J OM ,２００９,６１(５):３４－３８．[９]㊀L a iYQ ,L i XZ ,L i J ,e t a l ．E f f e c t o fm e t a l l i c p h a s e s pe c i e s o n t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e of １７M /(１０N i O－N i F e ２O ４)c e r m e t i n e r t a n od eo fa l u m i n u me l e c t r o l y s i s [J ]．J o u r n a lo fC e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y,２００６,１３(３):２１４－２１８．[１０]㊀L o r e n t s e nO．B e h a v i o u r o f n i c k e l ,i r o n a n d c o p p e r b y a p pl i c a Ｇt i o no f i n e r ta n o d e s i na l u m i n i u m p r o d u c t i o n [D ]．N o r w a y:N o r w e g i a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ,２０００．[１１]㊀W e y a n dJD ．M a n u f a c t u r i n gpr o c e s s e su s e df o r t h e p r o d u c Ｇt i o no f i n e r ta n o d e s [C ]．M i l l e r R E ．L i gh t M e t a l s１９８６．W a r r e n d a l e ,P A :T M S ,１９８６:３２１－３３９．[１２]㊀秦庆伟．铝电解惰性阳极及腐蚀率预测研究[D ]．湖南长沙:中南大学冶金科学与工程学院,２００４．[１３]㊀田忠良．铝电解N i F e ２O ４基金属陶瓷惰性阳极及其相关工程技术研究[D ]．湖南长沙:中南大学冶金科学与工程学院,２００５．[１４]㊀段华南．C u －N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷在冰晶石氧化铝熔体中的电解腐蚀行为研究[D ]．湖南长沙:中南大学冶金科学与工程学院,２００５．[１５]㊀田忠良,赖延清,张㊀刚,等．铝电解用N i F e ２O ４－Cu 金属陶瓷惰性阳极的制备[J ]．中国有色金属学报,２００３,１３(６):２２１－２２６．[１６]㊀Z h a n g L ,L i ZY ,Z h o uKC ,e t a l ．S i n t e r i n g o f t h eN i F e ２O ４－１０N i O /x N ic e r m e t [J ]．中南工业大学学报(英文版),２００６,１３(４):３３２－３３６．[１７]㊀赖延清,张㊀刚,李㊀劼,等．金属含量对C u －N i －N i F e ２O ４金属陶瓷导电性能的影响[J ]．中南大学学报(自然科学版),２００４,３５(６):８８０－８８４．[１８]㊀马㊀佳．制备大尺寸耐火材料型铝电解惰性阳极的研究[D ]．辽宁沈阳:东北大学材料与冶金学院,２０１１．[１９]㊀张㊀刚．C u－N i －N i F e ２O ４金属陶瓷的制备与性能研究[D ]．湖南长沙:中南大学材料科学与工程学院,２００４．[２０]㊀刘㊀恺．N i F e ２O ４基金属陶瓷的烧结气氛及其变气氛烧结制备技术研究[D ]．湖南长沙:中南大学冶金科学与工程学院,２０１０．[２１]㊀果世驹．粉末烧结理论[M ]．北京:冶金工业出版社,２００２．[２２]㊀黄培云．粉末冶金原理[M ]．北京:冶金工业出版社,１９９７．[２３]㊀张志刚．纳米增韧N i F e ２O ４基铝电解惰性阳极的研究[D ]．辽宁沈阳:东北大学材料与冶金学院,２０１３．[２４]㊀张清纯．陶瓷材料的力学性能[M ]．北京:科学出版社,１９８７．[２５]㊀贾德昌,宋桂明．无机非金属材料性能[M ]．北京:科学出版社,２００８．[２６]㊀关振铎,张中太,焦金生．无机材料物理性能[M ]．北京:清华大学出版社,２０１１．E f f e c t o f S i n t e r i n g T e m p e r a t u r e o nP r o pe r t i e s of C u －N i －N i O－N i F e ２O ４Ce r m e t Z H A N G X i a o ,Z H A N GZ h i Ｇg a n g ,L U O H o n g Ｇj i e ,Y A O G u a n gＧc h u n (S c h o o l o f M e t a l l u r g y ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g １１０８１９,C h i n a )A b s t r a c t :C u －N i －N i O－N i F e ２O ４ce r m e t i n e r t a n o d e sf o r a l u m i n u me l e c t r o l y s i sw e r e p r e p a r e db y t w o －s t e p s i n t e r i ng m e th o d 敭T h ee f f e c t so fsi n t e r i n g t e m p e r a t u r eo ns h r i n k a g e p o r o s i t y f l e x u r a ls t r e n gt h t h e r m a l s h o c kr e s i s t a n c e m i c r o s t r u c t u r ea n ds i n t e r i n g d e n s i f i c a t i o n m e c h a n i s m o fc e r m e tw e r es t u d i e d 敭W i t h t h e i n c r e a s e o f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e t h e s h r i n k a g ed e g r e e a n d t h e r m a l s h o c kr e s i s t a n c eo f s a m pl e s i n c r e a s e a n dt h e p o r o s i t y d e c r e a s e s g r a d u a l l y 敭A n dt h em a x i m u m h o r i z o n t a l s h r i n k a g er a t i o １０敭２％ v e r t i c a l s h r i n k a g e r a t i o ９敭４％ a n d t h em i n i m u m p o r o s i t y ４敭８％ o f t h e s a m p l e s o c c u r r e d a t t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e s o f １２２５ħ T h em a x i m u mb e n d i n g s t r e n g t h １１７敭０M P a o f t h e s a m p l e s o c c u r r e d a t t h e s i n Ｇt e r i n g t e m p e r a t u r e s o f １２００ħ敭W i t h i n c r e a s i n g t h e s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e s t h e t h e r m a l s h o c kr e s i s t a n c e o f t h e s a m p l e s i n c r e a s e d r a p i d l y敭K e y w o r d s :C u －N i －N i O－N i F e ２O ４ c e r m e t s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e b e n d i n g s t r e n g t h t h e r m a l s h o c k r e s i s t Ｇa n c e９２第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张㊀啸等:烧结温度对C u －N i －N i O－N i F e ２O ４金属陶瓷性能的影响。

真空烧结充氢气或氮气对陶瓷的影响

真空烧结充氢气或氮气对陶瓷的影响真空烧结是一种常用的陶瓷制备方法，它可以通过在无氧环境下加热陶瓷材料，从而实现高度致密的陶瓷制备。

在真空烧结的过程中，常会使用氢气或氮气作为烧结气氛。

充氢气或氮气对于陶瓷的影响主要体现在以下几个方面。

首先，充氢气或氮气可以改善陶瓷的烧结性能。

氢气和氮气是常用的非氧化性气体，它们不会与陶瓷材料发生化学反应，因此可以提供一个纯净的烧结环境。

在真空烧结过程中，氢气或氮气可以有效地防止陶瓷表面的氧化，从而提高陶瓷的烧结率和致密性。

此外，氢气还可以通过还原作用帮助去除一些陶瓷中的氧化物杂质，进一步提高陶瓷的纯度和致密性。

其次，充氢气或氮气对于陶瓷的微观结构和性能也有影响。

在真空烧结的过程中，氢气或氮气可以通过在陶瓷材料中引入氢或氮原子，改变陶瓷的晶体结构和减小晶界的能量。

这些改变可以显著影响陶瓷的力学性能、热性能和电性能等。

例如，一些研究表明，充氢气或氮气可以增强氧化锆陶瓷的力学性能和断裂韧性，提高具有钙钛矿结构的陶瓷材料的电导率。

因此，合理选择烧结气氛以及控制烧结工艺参数对于优化陶瓷材料的性能至关重要。

此外，充氢气或氮气还可以影响陶瓷的表面性质。

充氢气或氮气可以改变陶瓷表面的化学组成和表面能量，从而影响陶瓷与其他材料的界面黏附性能。

例如，使用氢气烧结可以在陶瓷表面形成一层氢化物薄膜，这一薄膜可以显著提高陶瓷与金属等材料的粘接强度。

此外，氢气烧结还可以减少陶瓷表面的粗糙度和气孔数量，从而提高陶瓷的表面光洁度和气密性。

总的来说，充氢气或氮气在真空烧结过程中对陶瓷的影响是多方面的。

它们可以改善陶瓷的烧结性能，优化陶瓷的微观结构与性能，并改善陶瓷的表面性质。

因此，在陶瓷制备中选用适当的烧结气氛，合理控制烧结工艺参数，对于获得高性能的陶瓷材料具有重要意义。

烧结气氛对X8R陶瓷材料结构与性能的影响

ｐｉｄｔｏｈＰ／ｎｎｅｌｃｒｄｓｌＯｂｔｄＡｇａｄＮｉｉｎｒｅｅｔｏｅ，ｗｅｅｏｔｉｅｙａｏｔｎｐｒｐｉｔ／ａｉｎｉｔｒｄａ— ｅｒｂａｎｄｂｄｐｉｇａｐｏｒｅＹｂＭｇｒｔａｄｓｎｅｅｔａｏ
维普资讯
第２卷第１９期
２０７２月０年
压
电
与
声
光
Ｖｏ．９Ｎｏ１１２．Ｆｂ２０ｅ．０７
ＰＥＺＩＯＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＬＡＣＯＵＳＣＳ８ＴＯＯＰＣＳＴＩ
文章编号：０４２７（０７０ — ０９０１０ — ４４２０）１０５ — ３
ｗｈｃｒｉｔｒｄｕｄｒｏｉｉｉｇ，ｒｄｃｎｎｎｅｌｇｃｎｉｉｎ，ｗｅｅｉｖｓｉａｅｈｓｐｐｒｉｈｗｅｅｓｎｅｅｎｅｘｄｚｎｅｕｉｇａｄａｎａｉｏｄｔｓｎｏｒｅｔｇｔｄｉｔｉａｅ．ＸＲＤｎｌ — ｎｎａａｙｓｓｉｄｃｔｄｔａｈｏｕｉｔｆｔｅａｃｐｏｎｎＢａＯ３ｗａｕｐｅｓｄ，ｒｓｌｉｇｉｈｒｓｎｅｏｈｅ — ｅｎｉａｅｈｔｔｅｓｌｂｌｙｏｈｃｅｔｒｉｓｉＴｉｓｓｐｒｓｅｉｏｅｕｔｎｎｔｅｐｅｅｃｆｔｅｓｃ
ＹｂｃｕｅｈｏｌｐｅｏｏｅｓｅｌｔｕｔｒａＯ３ｃｒｍｉｓａｓｄｔｅｃｌｓｆｃｒ－ｈｌｓｒｃｕｅｉＢＴｉｅａｃ．Ｘ８ＭＬＣＣｄｅｅｔｉｍａｅｉｌ，ａｎＲｉｌｃｒｃｔｒａｓｗｈｃａｅａ — ｉｈｃｎｂｐ

AlN低温烧结助剂对陶瓷结构和性能的影响

2/15/2016
目录
• 一．单一烧结助剂 • 二．复合烧结助剂 • 三．多壁碳纳米管烧结助剂
2/15/2016
下表1为本文中烧结助剂的编号和配比。如不特殊说明，烧结温度为 1600℃，烧结时间4h。
2/15/2016
一．单一烧结助剂
• 添加单一烧结助剂试样烧结产物的相对密度，从表2中可以看出，添加单一烧结助剂效果不明显，致密度较差。
2/15/2016
三．多壁碳纳米管烧结助剂
• 四组样品，分别标记为：样品AW (未添加烧结助剂)、样品 AM [1%质量分数(下同)MWNT]、样品AYC(3%Y2O3– 2%CaF2) 和样品AMYC (1%MWNT–3%Y2O3–2%CaF2)。
2/15/2016
三．多壁碳纳米管烧结助剂
曲线1～曲线2 可以看出：其烧结产物为纯AlN 相，没有产生氧化相Al2O3。曲线4，样品AYC 除了主晶相 AlN 外，还产生了晶界相 Y3Al5O12 和Ca–Al–O 化合物。曲线4 为样品AMYC，可以看出：除了主晶相AlN 以外，还产生晶界相Y3Al5O12和Ca–Al–O 没有出现多壁碳纳米管峰的 XRD 特征峰，可能是实验所加的碳纳米管含量相对较少，无法测出它的存在。
AlN低温烧结助剂对陶瓷结构和性能的影响
2/15/2016
前言
众所周知，AlN陶瓷具有十分优异的性能，主要表现为以下几个方面： (1) 与Al2O3陶瓷相比，热导率较高，是Al2O3的5-10倍； (2) 与BeO陶瓷相比，无毒、无害，有利于环保； (3) 热膨胀系数(4.3×10-6/℃)与半导体Si材料((3.5-4.0)×10- 6/℃)匹配，确保电子元件不因热效应而失效； (4) 电绝缘性能好，介质损耗低； (5)可进行多层布线，实现封装的高密度和小型化。 AlN陶瓷现已广泛应用于电子、冶金、机械、军工等诸多领域。 • 但AlN属共价键晶体, 通常需要在高温高压下烧结。由于烧结成本太高, 很难推广应用。近年来, 为了减少能耗、降低成本, 开展了低温烧结研究。所谓低温烧结就是在1 600~1 700 ℃之间实现致密烧结, 同时还要去除AlN晶格内的氧杂质，般采用添加碱土金属化合物及稀土化合物，通过液相烧结实现烧结致密化。助烧剂能在烧结初期和中期显著促进AlN陶瓷烧结，并且在烧结的后期从陶瓷材料中部分挥发，从而制备纯度及致密化程度都较高的AlN陶瓷材料及制品。

电瓷材料的烧结性能探讨

电瓷材料的烧结性能探讨作者：段武安来源：《现代交际》2015年第03期[摘要]本文基于电瓷材料的现实作用，结合电瓷材料的力学性能和电气性能，针对电瓷材料的温度控制和气氛变化进行试验，根据实验结果得出结论。

[关键词]电瓷材料烧结温度气氛烧结性能[中图分类号]TM216 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2015）03-0121-01电瓷材料的烧结性能是电瓷材料的重要性能之一，对为电力系统提供支持和绝缘作用，具有十分重要的现实作用。

电瓷材料的烧结性能受诸多因素的影响，如烧结温度、烧结气氛等等因素。

其中，烧结温度对电瓷材料烧结性能具有重要影响。

一、电瓷材料的烧结性能在电磁材料的烧结过程中，科学把握控制烧结温度，使得电瓷材料拥有良好的力学性能和电气性能，从而在电力系统中起到支持和绝缘作用。

当烧结温度控制过低时，电瓷材料的强度达不到要求，烧结过程无法顺利致密化；当烧结温度控制过高时，则会引起电瓷材料内部的晶粒膨胀，使电瓷材料的力学性能和电气性能下降，达不到规定的合格要求。

因此，要想使电瓷材料获得良好的烧结性能，必须严格控制烧结温度，在恰当的烧结温度范围内烧结，才能既使电瓷材料顺利致密化，又能防止电瓷材料的过度膨胀。

二、电瓷材料的烧结性能实验电瓷材料的烧结性能主要由两个因素决定：一是由制造瓷件所确定的电瓷材料特性决定；二是由该电瓷材料配方及其制造工艺过程所决定。

因此，探究电瓷材料的烧结应注意电瓷材料的自身特性和电瓷材料的烧结过程。

本文主要针对电瓷材料的温度控制和气氛控制来分别进行控制实验，探讨电瓷材料的烧结性能。

（一）电瓷材料的温度控制实验实验过程采用控制变量法进行研究讨论，控制烧结过程中其余不变，变量是胚料不同，实验1使用矾土质高强度坯料，实验2使用工业氧化铝，电瓷材料的氧化铝含量相同。

烧结温度的测量过程使用热膨胀仪，控制的升温幅度是从常温升至900℃，以5摄氏度每分钟逐渐升温，接着从900℃升温至1350℃时，分别采用1摄氏度每分钟、3摄氏度每分钟、5摄氏度每分钟和10摄氏度每分钟逐渐升温。

烧结温度对氧化铝陶瓷机电性能的影响

烧结温度对氧化铝陶瓷机电性能的影响李宏杰【摘要】烧结温度对氧化铝基板性能有重要影响,随着烧结温度的提高,瓷片的体积电阻率、体积密度、击穿强度升高,抗折强度呈先上升后下降趋势,而介电常数、介质损耗角正切则是先降低后升高.得出最佳的烧结条件为1 570℃保温2 h.【期刊名称】《陶瓷》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】4页(P11-14)【关键词】烧结温度;氧化铝陶瓷;抗折强度;体积电阻率;击穿电压;介电常数;介质损耗;体积密度【作者】李宏杰【作者单位】西安创联轮德器件有限公司,西安,710065【正文语种】中文【中图分类】TQ174由于氧化铝陶瓷具有优良的机电性能,如导热率较高,耐高温,绝缘性能良好,机械强度适中、耐磨及耐化学腐蚀,且价格低廉,工艺成熟,故广泛用在电子、电气、航空、航天、石油化工等领域,成为目前用量最大的工程陶瓷之一[1～2]。

在微电子行业,A-75瓷常用来制作电阻瓷基体;A-96瓷常用作厚膜电路基板;A-99瓷常用作薄膜电路基板[3]。

BeO陶瓷虽然导热率高,但毒性大,随着人们环境保护意识的增强,国家相继出台了一系列环境保护法,限制生产使用BeO陶瓷。

A lN陶瓷虽然具有导热率高(是A l2O3陶瓷基板的5～10倍),膨胀系数与Si接近等优点,但原料合成到目前尚未大批量生产,且批次一致性差,难以烧结。

但在陶瓷基板领域中,流延法生产A l2O3陶瓷基板仍占着统治地位。

我公司引进的美国流延法成形生产线,瓷料配方体系为M gO-A l2O3-SiO2三元系统。

在长期的生产实践中发现,由于国产氧化铝粉形貌不规则,钠离子含量较高,导致产品的介质损耗过高,体积密度上不去,高温体积电阻率较低,无法满足客户的需求,针对此情况,我公司开展了A-96瓷瓷料配方的研究。

在文献[4]中,通过在M gO-Al2O3-SiO2三元系统中引进CaO,成功地改进了产品的机电性能;产品的抗折强度值及其分散性也得到了一定改善,虽然达到了国标,在实际使用中仍显强度不足。

烧结与极化工艺对BS-PT压电陶瓷结构和性能的影响

第４９卷第４期
陕西师范大学学报（自然科学版）
Ｖｏｌ．４９Ｎｏ．４
２０２１年７月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｌ．，２０２１
■ 电介质物理和材料专刊（主持人：陈晓明）
２结果与分析
２．１不同烧结温度对犅犛犘犜性能及结构的影响图１为室温下不同烧结温度０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ
与１ｗｔ％Ｐｂ０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ陶瓷的压电常数犱３３与机电耦合系数犽ｐ。从图中可以看出１ｗｔ％Ｐｂ０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ陶瓷的压电常数犱３３和机电耦合系数犽ｐ均高于０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ陶瓷。其中１ｗｔ％Ｐｂ０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ在９５０～１２００ ℃ 的烧结温度范围内出现了压电常数先上升再降低的现象，在烧结温度为１０００ ℃时压电常数犱３３和机电耦合系数犽ｐ达到最大值，分别为３５１ｐＣ／Ｎ和０．４７；０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ在９５０～１２００ ℃的烧结温度范围内同样也出现了压电常数先上升再降低的现象，在烧结温度
烧结与极化工艺对犅犛犘犜压电陶瓷结构和性能的影响
张思梦，周峰峰，杨慧，李晓娟
（西安工业大学材料与化工学院，陕西西安７１００２１）
摘要：ＢｉＳｃＯ３ＰｂＴｉＯ３（ＢＳＰＴ）压电陶瓷具有高居里温度和优良的电学性能，已成为高温环境工作的首选材料之一。采用固相法制备０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ和１ｗｔ％Ｐｂ０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ压电陶瓷，研究不同烧结工艺对两种陶瓷组分相结构和性能的影响规律，确定最佳烧结工艺参数和最佳极化工艺条件。结果表明：随烧结温度的升高，陶瓷结构中四方相的含量增加，三方相含量减少。通过对烧结工艺及极化工艺的调控，在１ｗｔ％Ｐｂ０．３６ＢＳ０．６４ＰＴ组分中获得最优性能：居里温度犜Ｃ＝４５４ ℃、压电性能犱３３＝３６５ｐＣ／Ｎ、机电耦合系数犽ｐ＝５１％。关键词：ＢｉＳｃＯ３ＰｂＴｉＯ３压电陶瓷；制备工艺；结构与性能；非化学计量中图分类号：Ｏ４８７文献标志码：Ａ文章编号：１６７２４２９１（２０２１）０４０１０６１０

陶瓷烧成气氛对产品性能的影响

•反应如下：
2Fe203+2 SiO2→2(2FeO·SiO2)+O2↑
反应生成的氧会使釉面形成气泡与孔洞，而残留的Fe203会使坯体呈黄色。对含钛较高的坯料应避免用还原气氛烧成，否则部分TiO2会变成蓝至紫色Ti2O3，还可能形成黑色 2FeO· 2O3尖晶石和一系列铁钛混合晶体，从 Ti 而呈色加深。
② SiO2还原和co分解
• 在一定的温度下，还原气氛可使SiO2还原为气态的sio，在较低的温度下它将按 2sio→sio2+si 分解，因而在制品表面形成si的黑斑。还原气氛中的co在一定的温度下会按 2co→co2+c分解。
• 在400℃时co2是稳定的，而在1000℃时，仅有0.7%(体积)co2。co的分解在800℃ 以下才速度较快，而高于 800℃时需要一定的催化剂。
• 在窑炉预热带，因要排走水分和燃烧时产生的烟气，故压力相对比窑外环境的低，对比之下窑内气压处于负压比之下窑内气压处于正压状态在正负压之间有一零压面，烧成带就处在预热带和冷却带之间，因而零压面的移动就会引起烧成带气氛的变化。
陶瓷烧成气氛对产品性能的影响主要有2个方面：
① 影响铁和钛的化合价 ② 使SiO2还原和CO分解
①影响铁和钛的化合价
• 在实际生产中，当氧化气氛烧成时，坯料中的fe2o3在含碱量较低的玻璃相中熔解度很低，可析出胶态的fe2o3使坯显黄色当还原气氛烧成时，形成的feo熔化在玻璃相中呈淡青色。另外，当坯体中的氧化铁含量一定时，若用氧化气氛烧成，被釉层所封闭的fe2o3将有一部分与sio2反应生成铁橄榄石并放出氧
• 当零压面位于烧成带前段，处于烧成带与预热带之间时，烧成带的气压为微正压状态，气氛为还原气氛当零压面位于烧成带的后端时，烧成带处于微负压状态，气氛为氧化气氛。

烧结气氛对氮化铝陶瓷结构与性能的影响

烧结气氛对氮化铝陶瓷结构与性能的影响孙悦;杜学丽【摘要】以高温自蔓延法合成的氮化铝(AlN)粉末为原料,加入5 %Y2O3作为烧结助剂,注射成形后分别在氮气和还原性氮气氛中1 850 ℃常压烧结成AlN陶瓷,研究烧结气氛对AlN陶瓷结构与性能的影响.研究表明,不同气氛中烧结的AlN陶瓷的密度、第二相和热扩散系数有所不同,氮气中烧结的AlN陶瓷的密度、第二相和热扩散系数分别为3.20 g·cm-3、钇铝酸盐(Y3Al5O12和Y4Al2O9)和0.559cm2·s-1;还原性氮气氛中烧结的AlN陶瓷的密度、第二相和热扩散系数为3.00 g·cm-3、氮化钇(YN)和0.581 cm2·s-1.扫描电镜(SEM)分析显示氮气氛中烧结的AlN陶瓷结构均一,而还原性氮气氛中烧结的AlN陶瓷内外结构不一致,容易产生变形.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2010(026)006【总页数】4页(P15-18)【关键词】氮化铝陶瓷;烧结气氛;热导率;密度【作者】孙悦;杜学丽【作者单位】天津理工大学,材料科学与工程学院,天津,300384;天津理工大学,材料科学与工程学院,天津,300384【正文语种】中文【中图分类】TB321氮化铝(AlN)是近年来发展起来的一种新型陶瓷材料，由于其热导率高(理论热导率为320 W·m－1·K－1)，无毒，热稳定性好，绝缘(电阻率超过1 014Ω·cm)，介电常数(1 MHz 8.0)和介电损耗低，热膨胀系数与硅接近.因此，AlN作为填料、坩埚、集成电路基板和封装材料，在电子陶瓷以及复合材料等许多领域有着广泛的应用前景[1].然而，就目前而言，AlN陶瓷在我国的商品化程度并不高，主要原因之一是高导热AlN陶瓷烧结困难.AlN属于共价键化合物，熔点高，原子自扩散系数小，因此，纯净的AlN粉末很难烧结致密，而致密度不高就很难具有高的热导率.除了致密度外，影响AlN陶瓷热导率的更重要因素是晶格中的杂质氧[2-3].AlN陶瓷的制备可以通过反应烧结、常压烧结、热压烧结、微波烧结、激光烧结和放电等离子烧结等方法，目前采用最多的仍为添加烧结助剂的氮气保护下的常压烧结[4-6].另有研究表明，在AlN陶瓷烧结过程中，烧结气氛影响烧结反应，从而影响AlN陶瓷的结构和性能，尤其是当烧结气氛中有还原性碳的时候.Wateri等人[7-8]认为碳在烧结过程中能还原AlN陶瓷中的杂质氧(Al2 O3)，从而提高AlN陶瓷的热导率.但是对于常压烧结的AlN陶瓷来说，需要加入烧结助剂(通常为稀土或碱土金属的氧化物)与Al2O3反应生成低熔点物质，从而促进烧结过程.如果在烧结过程中没有了Al2O3与烧结助剂反应就很难得到高密度AlN陶瓷，从而影响AlN陶瓷热导率的提高.本工作将注射成形法制备的AlN粉末坯体分别在氮气和还原性氮气氛中进行烧结，研究还原性气氛对AlN陶瓷结构和性能的影响.1 实验部分1.1 实验过程实验用AlN粉末为北京安泰公司高温自蔓延法合成，其化学组成中N为31%(质量分数，文中如不特别说明均指质量分数)，O为1.06%，粉末形貌如图1，为非球状颗粒，平均粒度3μm左右.加入5%Y2 O3作为烧结助剂，其纯度为99.9%.按文献[9]中的方法制备AlN注射成形坯体，空气中热脱脂后，采用高温碳管炉分别在氮气(视为试样A)和还原性氮气氛(视为试样B)中1 850℃烧结成AlN陶瓷.还原性物质的获得是通过石墨坩埚中的碳以及碳还原氧化物生成的CO.图1 A lN粉末形貌Fig.1 Morphology of AlN powders1.2 分析测试排水法测烧结试样的密度;日本理学Rigaku公司D/max－RB12型旋转阳极X射线衍射仪(X－ray Diffraction，XRD，Cu Kα，λ =0.154 06 nm)进行物相分析;英国 LEO公司JSM－6301F型扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)观察试样微观形貌;NETZSCH公司LFA－427型激光热导仪测烧结试样热扩散系数α，然后根据公式计算出烧结试样的热导率，其中:λ为热导率，C p为热容(这里按纯AlN 在20 ℃的热容0.734 J·g－1·K－1计算)，ρ是烧结试样的密度.2 结果与讨论AlN为共价键化合物，其电子是被束缚的，因此不能成为导热的载体，因而热能的传导是靠晶格振动(声子)来实现的，尽管理论上AlN的热导率可达320W·m－1·K－1，但由于AlN中的杂质和缺陷造成实际产品的热导率不到200 W·m－1·K－1.AlN对氧有强烈的亲和性，所以AlN中不可避免地固溶有Al2O3，氧进入AlN晶格导致铝空位的形成，阻碍声子传播，使热导率显著下降[10-11].另外，AlN的共价键结构使其很难烧结，通常要加入烧结助剂，Y2O3是使用最多，能够获得热导率高于150 W·m－1·K－1的AlN陶瓷的有效烧结助剂，在烧结过程中烧结助剂起到两方面的作用:一方面，Y2O3与AlN颗粒表面的Al2O3反应，形成低熔物，产生液相促进烧结，提高材料的致密度;另一方面，反应生成的钇铝酸盐对AlN晶界润湿性差，冷却时在AlN晶界析出第二相，将氧固结于晶界上，减少了高温烧结时氧进入AIN晶格的可能性，起到一个纯化晶格的作用，从而提高AlN陶瓷的热导率[12].采用氮气保护下的还原气氛烧结能够通过碳热还原氮化减少AlN中的杂质氧，理论上有利于提高AlN陶瓷的热导率.Watari[7]认为碳存在的还原气氛下烧结时有下述反应发生:图2是两种不同的气氛中烧结的AlN陶瓷的XRD分析结果，从图2可知，两种试样的主晶相都是AlN，第二相却不同.氮气中烧结的AlN陶瓷(A)中的第二相是钇铝酸盐Y3 Al5 O12和Y4 Al2 O9，由烧结助剂Y2 O3与AlN颗粒表面的Al2 O3反应生成.该反应根据Y2 O3与Al2 O3比值的不同，可以生成三种钇铝酸盐，分别是 Y3 Al5 O12，YAlO3和 Y4 Al2 O9.比值较低时，以Y3 Al5O12为主，较高时为Y4 Al2O9[13].还原性氮气氛中烧结的试样(B)中的第二相为YN，说明确实有(1)－(7)中的反应发生.表1是烧结试样的密度和热扩散系数，由表中数据可知，随着氧含量的降低，还原性氮气氛中烧结的AlN陶瓷(B)的热扩散系数确实比氮气中烧结的试样(A)有所提高，但是由于试样B的密度明显低于A，使得B的热导率反而低于A.因为AlN陶瓷中的结构缺陷(尤其是气孔和第二相分布)也是影响AlN陶瓷热导率的重要因素[3-4].图3是不同气氛中烧结的试样的微观结构.由图可知，氮气中烧结的试样A晶粒间结合紧密，因而密度较高，第二相分布于晶界，但是当晶界第二相含量多时，高导热AlN基质的连通性被阻断，反而不利于AlN陶瓷热导率的提高，这也是表1中试样A的热扩散系数较低的主要原因.图2 不同气氛中烧结的AlN陶瓷的XRD分析图Fig.2 XRD patterns of A lN ceram ics sintered in nitrogen(A)and reducing nitrogen(B)atm ospheres表1 不同气氛中烧结的AlN陶瓷的密度和热导率Tab.1 Thermal conductivity and density of AlN ceram ics sintered in different atmospheresSampleDensity/(g·cm －3)Thermal diffusivity/(cm2·s－1)Thermalconductivity/(W·m－1·K－1)A 3.20 0.559 131 B 3.00 0.581 128还原性氮气氛中烧结的试样B与A有所不同，其内部结构分成两个明显不同的区域，左上部区域靠近试样外表面，晶粒结合不紧密，有明显的缝隙，气孔率较高，右下部区域接近试样内部，晶粒间结合紧密.这可以推断出还原性物质在烧结过程中由外向内逐渐扩散，在烧结初期，还原性物质很快扩散到试样表面，并在烧结助剂Y2O3与AlN颗粒表面的Al2O3反应之前先发生了(1)和(3)或者(4)和(6)的反应，这样就不能生成钇铝酸盐第二相促进烧结过程，因而气孔率高，不利于AlN陶瓷热导率的提高.而试样内部，烧结助剂Y2O3与Al2O3在还原性物质到来之前已经反应生成钇铝酸盐第二相并促进烧结过程，而后随着还原性物质向内部扩散又发生反应(3)或(6)，因而晶粒结合紧密，第二相也较少，这样的微观结构有利于提高AlN陶瓷的热导率.但是内外结构不一致不仅限制了AlN陶瓷热导率的提高，而且对于形状复杂或尺寸较大的试样来说也会产生变形，如图4所示，这在AlN陶瓷烧结过程中是必须要避免的.图3 不同气氛中烧结的AlN陶瓷的微观结构Fig.3 SEM micro structures of AlN ceramics sintered in different atmospheres3 结论图4 不同气氛中烧结的A lN陶瓷制品Fig.4 AlN ceramics sintered in different atmospheres烧结气氛对AlN陶瓷的微观结构和热导率有重要影响，虽然还原性氮气氛中烧结能去除氧杂质，但是烧结助剂以及Al2 O3被还原以后不能有效促进常压烧结AlN 陶瓷的致密化过程，反而不利于热导率的提高，同时，由于还原反应是由外向内逐步完成的，会使烧结体内外收缩不一致而变形，甚至开裂.如果在保证AlN陶瓷烧结致密的前提下，再通过还原氮化反应去除杂质氧，方能真正有效提高AlN陶瓷的热导率.参考文献:[1]Lee R R.Development of high thermal conductivity aluminum nitride ceramic[J].Journal of American Ceramic Society，1991，74(9):2242-2249.[2]Boey F，Tok A I L，Lam Y C，et al.On the effects of secondary phase on thermal conductivity of AlN ceramic substrates using amicro structural modeling approach[J].Materials Science＆ Engineering，2002，A335:281-289.[3]Yu Ying-Da，Hundere A M，Hφier R，et al.Micro－structural characterization and micro－structural effects on the thermal conductivity of AlN(Y2O3)ceramics[J].Journal of European Ceramic Society，2002(22):247-252.[4]Jackson T B，Virkar A V，More K L，et al.High-thermal-conductivity aluminum nitride ceramics:the effect of thermodynamic，kinetic，and micro-structural factors[J].Journal of American Ceramic Society，1997，80(6):1421-1435.[5]Wang M C，Yang CC，Wu N C.Densification and structure development in the sintering of AlN ceramics with CaCN2 additives[J].Journal of European Ceramic Society，2001，21:2185-2192.[6]Du X L，Qin M L，Rauf A，et al.Structure and properties of AlN ceramics prepared with spark plasma sintering of ultra-finepowders[J].Materials Science＆ Engineering，2008，A496:269-272.[7]Wateri K，Kawamoto M，Ishizaki K.Sintering chemical reaction to increase thermal conductivity of aluminum nitride[J].Journal of MaterialsScience，1991，26:4727-4232.[8]Nakano H，Watari K，Urabe K.Grain boundary in AlN ceramics fired under reducing N2 atmosphere with carbon[J].Journal of European Ceramic Society，2003(23):1761-1768.[9]Du X L，Qin M L，Sun Y，et al.Structure and thermal conductivity of powder injection molded AlN ceramic[J].Advanced Powder Technology，2010，21:431-434.[10]Virkar A V，Jackson T B，Cutler R A.Thermal dynamic and kinetic effects of oxygen removal on the thermal conductivity of aluminumnitride[J].Journal of American Ceramic Society，1989，72(11):2031-2042. [11]Harris JH，Youngman R A，Teller R G.On the nature of the oxygen－related defect in aluminum nitride[J].Journal of Materials Research，1990，5(8):1763-1767.[12]Hirano M，Kato K，Hirano T.Sintering and characterization of fully dense aluminum nitride ceramics[J].Journal of Materials Sciense，1993，28:4725-4230.[13]Hashimoto N，Yoden H，Deki S.Sintering behavior of fine aluminum nitride powder synthesized from aluminum polynuclearcomplexes[J].Journal of American Ceramic Society，1992，75(8):2098-2103.。

烧结温度对NBTBT无铅压电陶瓷结构与电性能的影响

的衍射峰，与其标准卡片对比后表明：预烧后已合
成 NBTBT 单相，且为四方相（a=0.395 653 7nm,
c=0.395 548 4nm）。同时，还可看出：从室温升温到
Key words:lead-free piezoelectric ceramics; sintering; piezoelectric properties
目前应用最广泛、最成熟的压电陶瓷是以钙钛矿型的锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3，简写为 PZT）为基的含铅陶瓷材料。 [1-2] 但是 PZT 材料是含铅材料，其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的 70%左右。铅有毒，且高温下易挥发，因此含铅压电、铁电陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类带来损害。近年来，随着人类社会可持续发展战略的实施和公众环境保护意识的增强，新型环境友好型压电陶瓷已成为高技术新材料的研发热点。
2010 年 7 月第 25 卷第 4 期
[化学与材料科学研究]
咸阳师范学院学报 Journal of Xianyang Normal University
Jul.2010 Vol.25 No.4
烧结温度对 NBTBT 无铅压电陶瓷结构与电性能的影响
姚永红 1, 2，王建武 1
（1. 陕西工业职业技术学院材料工程系，陕西咸阳 712000；2. 西北工业大学材料学院，陕西西安 710072）
第4期
姚永红，等：烧结温度对 NBTBT 无铅压电陶瓷结构与电性能的影响
· 43 ·
体，其居里温度为 120℃，室温下为四方相，与 NBT 能在整个组成范围内形成固溶体。 NBT 基陶瓷也具有一个三方到四方相的准同型相界（MPB）。研究表明[3]，在该相界处（x=0.06~0.08）NBTBT 具有较强的压电性能：d33=125 pC/ N ,εr =580。其电性能与烧结温度关系密切。

烧结温度对BNBT压电陶瓷性能影响

烧结温度对压电性能的影响
100 90 98 92
80 70 60 56 50 48 40 1140 1150 1160 1170 1180 1190 为先增大后减小。为先增大后减小。之所以会出现1 所以会出现 160℃ ℃ 和1 170℃温度下的 ℃ 压电常数比1 压电常数比 140℃ ℃ 的低
烧结温度对体积密度的影响
6.4 6.2 6.13
6.12
6.14 5.94
体积密度/g · cm-3
6.0 5.93 5.8 5.6 5.4 5.33 5.2 1140 1150 1160 1170 1180 1190
从图中可以看出体积密度大致变化趋势是先增大后减小
1200
温度/℃
体积密度随烧结温度变化关系
实验思路
1 原料：Bi2O3、TiO2、Na2CO3、BaCO3、原料： CeO2（其纯度均大于其纯度均大于99%）。）。
2 本次实验是采用固相烧结方法制备掺杂本次实验是采用固相烧结方法制备掺杂CeO2的 BNBT陶瓷试片，烧结气氛为空气。陶瓷试片，陶瓷试片烧结气氛为空气。
3 温度制度设定：预烧温度制度设定：预烧960 ℃ ，保温。烧保温2h。结温度设置为：结温度设置为：1140 ℃ 、1160 ℃、 1170 ℃ 、1180 ℃ 、1190℃、1200 ℃，保温时 ℃ 间：2h。。
压电常数压电常数/pC· N-1
温度/℃
压电常数随温度变化关系
结论
通过实验得出以下结论：通过实验得出以下结论：
1 在1 190℃时达到最大值：ρ=6.14g/cm3 ℃时达到最大值：
2 在1 190℃处取得最大值： r=1 583 ℃处取得最大值：