低温烧结氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷低温烧结与裂纹自愈合研究
氧化铝陶瓷低温烧结与裂纹自愈合研究氧化铝陶瓷的低温烧结一直是人们研究的热点之一,通过添加剂来降低烧结温度是较为有效的方法。
而在结构陶瓷的制备、加工与使用过程中,裂纹的出现十分常见,裂纹引起的强度的衰减及可靠性降低等问题极大地限制了材料的实际应用。
本文以MgO-MnO_2-TiO_2-SiO_2复相添加剂作为氧化铝陶瓷的烧结助剂,采用注浆成型工艺,在1400℃、1450℃下空气中烧结,保温1h制备低温烧结氧化铝陶瓷;研究了添加剂SiO_2的含量与粒度,烧结温度对低温烧结Al_2O_3陶瓷材料性能的影响。
对于添加纳米SiO_2烧结添加剂的氧化铝陶瓷材料试样,通过Vickers压痕在材料表面引入裂纹,经1000℃、1100℃、1200℃高温处理,研究裂纹愈合效果。
测定了烧结试样的密度,收缩率,硬度。
对烧结与裂纹愈合前后试样的三点弯曲强度进行了检测;利用XRD分析了烧结及愈合处理试样的相组成;通过SEM扫描电子显微镜观察烧结试样的断口及表面形貌;并讨论了低温烧结Al_2O_3基陶瓷的烧结和裂纹愈合机理。
结果表明:加入SiO_2对氧化铝陶瓷的低温烧结是非常有利的。
当加入0.5wt%SiO_2时,制备的Al_2O_3基陶瓷材料的三点弯曲强度达到299MPa。
但随着SiO_2加入量的不断增大氧化铝陶瓷三点弯曲强度有下降的趋势。
添加剂的粒度对制备的材料性能影响明显。
当采用纳米级取代微米级SiO_2时,1450℃试样烧结后,0.5wt%SiO_2试样三点弯曲强度高达306.21 MPa,相对密度达到98.12%。
添加纳米SiO_2的带压痕试样经1000℃、1100℃、1200℃热处理1小时后,表面压痕裂纹均出现一定程度自愈合现象,材料的压痕强度经愈合处理后均有提高,但提高幅度差别较大。
其中1200℃时,添加纳米1%wtSiO_2试样处理后三点弯曲强度最高,达到300.27MPa(恢复率:61.84%),已经达到了材料原始强度的水平;而添加纳米3%wtSiO_2试样愈合效果最高佳(恢复率:112.2%),弯曲强度达到296.7MPa,达到并超过了材料的原始烧结强度。
以MnO2-TiO2-MgO为添加剂注浆成型低温烧结Al2O3陶瓷
以MnO2-TiO2-MgO为添加剂注浆成型低温烧结Al2O3陶瓷采用注浆成型方法,通过加入MnO2-TiO2-MgO复相添加剂,在1350℃空气气氛中常压烧结,获得了相对密度最大为95.7%的氧化铝陶瓷。
研究了MnO2-TiO2-MgO复相添加剂对氧化铝陶瓷显微结构与力学性能的影响。
在添加质量分数为3%MnO2,0.5%MgO的情况下,比较添加不同质量分数的TiO2（1.0～3.0%）对氧化铝陶瓷烧结性能的影响。
通过对比发现,该复相添加剂能有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度,在同一温度下,随着TiO2的增加,烧结体密度也随之增加,强度也有明显差别。
结果表明,1350℃下Al2O3＋0.5%MgO＋3%MnO2＋1.5%TiO2体系烧结效果最好,断口为沿晶断裂,无明显气孔,晶粒分布均匀,平均粒径为2μm,无晶粒异常长大现象。
烧结体密度达到3.80g/cm^3,抗弯强度为243MPa。
结果表明,添加TiO2 5%、在1300oC时的常压烧结密度可达到理论值的97%.固定CuO(0.4%)和TiO2(4%)的添加量、改变TiO2(0--32%)和CuO(0--3.2%)的添加量(质量分数, 下同), 研究了CuO--TiO2复合助剂对氧化铝陶瓷烧结性能、微观结构、物相组成以及烧结激活能的影响, 以揭示复合助剂的低温烧结机理。
结果表明, 在1150--1200℃TiO2固溶入Al2O3生成Al2Ti7O15相, 并生成大量正离子空位提高了扩散系数, 从而以固相反应烧结的作用机理促进了氧化铝陶瓷的致密化; TiO2在Al2O3中的极限固溶度为2%--4%, 超过固溶极限的TiO2对陶瓷烧结没有促进作用; 添加适量的CuO(0.4%)可将TiO2在Al2O3中的固溶温度降低到1100℃以下, 并以液相润湿作用促进氧化铝陶瓷的致密烧结。
陶瓷烧结激活能的计算结果定量地印证了上述烧结机理; 当在Al2O3中添加4%的TiO2和2.4%的CuO,可将烧结激活能降低到54.15 kJ ? mol-1。
氧化铝陶瓷低温烧结助剂研究概述
氧化铝陶瓷低温烧结助剂研究概述氧化铝陶瓷是一种重要的结构陶瓷材料，具有优异的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温性等特点，在工业生产和科研领域有着广泛的应用。
然而，氧化铝陶瓷的低温烧结难度较大，需要添加一定的助剂才能够实现良好的烧结效果。
本文将对氧化铝陶瓷低温烧结助剂的研究进展进行概述。
1. 氧化铝陶瓷低温烧结助剂的分类氧化铝陶瓷低温烧结助剂主要分为有机助剂和无机助剂两类。
有机助剂包括聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯酮（PVP）等；无机助剂包括碳酸钙、硼酸、氧化钙、氢氧化钠等。
2. 有机助剂在氧化铝陶瓷低温烧结中的应用有机助剂可以在氧化铝陶瓷低温烧结过程中起到增强材料粘结力、促进颗粒成核、调节材料微观结构等作用。
其中，PVA 是一种常用的有机助剂，可以有效地提高氧化铝陶瓷的烧结密度和力学性能。
PAA则可以在低温下促进氧化铝颗粒的成核和晶粒生长，提高材料的致密性和硬度。
PVP则可以增加氧化铝陶瓷的塑性变形能力，降低其断裂韧性。
3. 无机助剂在氧化铝陶瓷低温烧结中的应用无机助剂可以在氧化铝陶瓷低温烧结过程中起到促进颗粒成核、调节晶体生长速率、防止晶体生长过快等作用。
其中，碳酸钙可以促进氧化铝陶瓷颗粒的成核和晶粒生长，提高材料的致密性和硬度；硼酸则可以防止氧化铝陶瓷晶体生长过快而导致材料开裂；氢氧化钠则可以调节氧化铝陶瓷晶体生长速率，提高材料的致密性和强度。
4. 氧化铝陶瓷低温烧结助剂的优化为了进一步提高氧化铝陶瓷低温烧结助剂的效果，需要对其进行优化。
目前，主要采用的方法包括改变助剂添加量、改变助剂种类、采用复合助剂等。
其中，复合助剂是一种较为有效的优化方法，可以充分发挥不同助剂的作用，提高氧化铝陶瓷的致密性和力学性能。
综上所述，氧化铝陶瓷低温烧结助剂是实现氧化铝陶瓷低温烧结的关键因素之一，其种类和添加量对于材料的致密性和力学性能具有重要影响。
未来，我们还需要进一步深入研究不同助剂的作用机制，以及如何优化氧化铝陶瓷低温烧结助剂的配方，为其在工业生产和科学研究中的应用提供更为可靠的技术支持。
低温烧结氧化铝陶瓷
正交试验设计
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收稿日期： ())" $ !) $ %) 基金项目： 山东 省 自 然 科 学 基 金 （ *())"+& ） ； 济南市科技明星 计划 （ &)!!’） 作者简介： 史国普 （ !’,! $ ） ， 男， 内蒙古商都人， 硕士生； 王 志 万方数据 （ !’"( $ ） ， 山东莱西人， 博士， 教授， 硕士生导师。
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济 南 大 学 学 报 （自然科学版）
第 !# 卷
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实验结果及讨论
正交试验设计 选用两种烧结助剂相结合来降低氧化。重排结束后， 氧 化铝陶瓷的相对密度主要靠溶解 5 沉淀过程得到提 高， 在这一阶段物质通过晶间液相进行扩散， 小晶粒 溶于液相中并沉 积 在 大 晶 粒 表 面， 显微结构上表现 为平均晶粒尺寸 增 加， 同时相对密度得到进一步提
第"期
史国普， 等： 低温烧结氧化铝陶瓷
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氧化铝瓷低温烧结
氧化铝陶瓷的低温烧结技术氧化铝陶瓷是一种以Ａｌ２Ｏ３为主要原料，以刚玉（α—Ａｌ２Ｏ３）为主晶相的陶瓷材料。
因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，氧化铝陶瓷已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
然而，由于氧化铝熔点高达２０５０℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高（参见表一中标准烧结温度），从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具，这在一定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。
因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
目前，对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入，从７５瓷到９９瓷都有系统的研究，业已取得显著成效。
表一是已实现的各类氧化铝陶瓷低温烧结情况。
表中低温烧结氧化铝陶瓷的各项机电性能均达到了相应瓷种的国家标准，甚至中铝瓷在某些技术标准上超过高铝瓷的国标，如中科院上海硅酸盐研究所研制的１３６０℃烧成的８５瓷，其抗弯强度超过９９％Ａｌ２Ｏ３陶瓷的国标，各项电性能都优于９５％Ａｌ２Ｏ３瓷的国标；Ａｌ２Ｏ３含量分别为９０％和９５％的低温烧结陶瓷，其机电性能都优于９５瓷及９９瓷的国标。
纵观当前各种氧化铝瓷的低温烧结技术，归纳起来，主要是从原料加工、配方设计和烧成工艺等三方面来采取措施，下面分别加以概述。
一、通过提高Ａｌ２Ｏ３粉体的细度与活性降低瓷体烧结温度。
与块状物相比，粉体具有很大的比表面积，这是外界对粉体做功的结果。
利用机械作用或化学作用来制备粉体时所消耗的机械能或化学能，部分将作为表面能而贮存在粉体中，此外，在粉体的制备过程中，又会引起粉粒表面及其内部出现各种晶格缺陷，使晶格活化。
氧化铝低温 烧结综述 杨硕 139024199
安徽工业大学毕业设计实验综述论文题目：氧化铝低温烧结方法综述学院：材料学院专业：无机133班姓名：杨硕学号：139024199指导教师：二○一六年四月日氧化铝低温烧结方法综述摘要：本文就氧化铝低温烧结的研究成果做出大概的总结。
详细分析降低氧化铝烧结温度的三种主要手段（即：①加入烧结助剂；②烧结工艺；③提高氧化铝粉体活性）来具体讨论了氧化铝陶瓷低温烧结机制。
再根据之前实验提出的各种方法提出自己的实验方案，以达到对烧结温度的最大降低。
关键词：复合烧结助剂，溶胶凝胶法，液相烧结，CuO— TiO2。
氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉为主晶相的陶瓷材料。
因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，氧化铝陶瓷已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航天等行业，成为目前世界上用量最大的特种陶瓷材料之一。
然而，但其离子键较强，从而导致其质点扩散系数低、烧结温度较高。
（例如99氧化铝陶瓷的烧结温度可高达近1800℃)。
如此高的烧结温度将促使晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低，同时也造成材料气密性差，且对窑炉耐火砖的损害较大。
因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
本论文的写作来源以数据库论文为参照核心来延伸出自己的实验理论，并且总结得到更好的实验方法。
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再进行总结延伸。
目前，对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入，从75 瓷到99 瓷都有系统的研究，业已取得显著成效。
低温烧结陶瓷材料的制备技术
低温烧结陶瓷材料的制备技术陶瓷材料具有许多优秀的性能，如高温稳定性、耐磨性和电绝缘性等，因此在许多行业被广泛应用。
然而，传统的陶瓷制备工艺存在一些问题，如高温烧结过程中能耗高且易产生裂纹等。
为了克服这些问题，低温烧结陶瓷材料的制备技术应运而生。
低温烧结陶瓷材料制备技术是一种通过控制烧结温度在较低的范围内，以达到相对较低的能耗和较好的工艺性能的制备方法。
下面，我们将分别介绍几种常用的低温烧结陶瓷材料的制备技术。
第一种制备技术是添加助熔剂。
助熔剂是一种能够降低物质熔点的添加剂，通过添加助熔剂，可以降低陶瓷材料的烧结温度。
常用的助熔剂有氧化钠、氧化钾等。
例如，采用添加助熔剂的制备技术制备氧化铝陶瓷材料，可以在较低温度下实现高密度的烧结。
这种技术不仅减少了能耗，还改善了陶瓷材料的烧结过程，降低了裂纹的产生。
第二种制备技术是采用纳米粉体。
纳米粉体是粒径在1-100纳米范围内的颗粒，具有较高的比表面积和较好的活性。
通过采用纳米粉体作为原料，可以降低陶瓷材料的烧结温度。
这是因为纳米粉体在烧结过程中具有较好的活性，容易形成颗粒之间的接触点，从而促进了陶瓷材料的烧结。
此外，纳米粉体还可以提高陶瓷材料的力学性能和化学稳定性。
第三种制备技术是采用预热处理。
预热处理是在烧结过程之前，对陶瓷材料进行热处理。
这种技术可以通过改变陶瓷材料的物理性质和晶体结构，提高材料的烧结活性。
例如，通过预热处理能够使陶瓷材料晶界扩散迅速，从而降低了陶瓷材料的烧结温度。
此外，预热处理还可以消除陶瓷材料中的内应力，提高材料的力学性能。
通过以上几种低温烧结陶瓷材料的制备技术，可以显著降低陶瓷材料的烧结温度，降低能耗，并提高材料的工艺性能。
然而，在实际应用中还存在一些问题，如助熔剂的添加量需要控制好，以免对材料性能产生不利影响；纳米粉体的制备比较困难，需要一定的技术支持；预热处理的温度和时间需要合理选择。
因此，未来的研究方向是进一步完善低温烧结陶瓷材料的制备技术，提高陶瓷材料的综合性能。
低温共烧结陶瓷
低温共烧结陶瓷一、低温共烧结陶瓷技术是一种在相对较低的温度范围内完成陶瓷烧结的方法。
相对于传统的高温烧结陶瓷工艺，低温共烧结技术具有更低的烧结温度、更短的烧结时间以及更低的能耗。
这项技术被广泛应用于陶瓷制品的生产，如电子器件、瓷砖、陶瓷涂层等。
本文将探讨低温共烧结陶瓷技术的基本原理、工艺特点、应用领域以及未来发展方向。
二、低温共烧结陶瓷的基本原理1.材料选择：低温共烧结陶瓷通常采用具有较高活性的原材料，如氧化铝、硅酸盐、钙钛矿等，以提高陶瓷材料的反应活性。
2.添加助剂：在原材料中添加适量的助剂，如稳定剂、流动剂、助燃剂等，以促进烧结过程中的化学反应，提高陶瓷的密实度。
3.控制烧结温度：低温共烧结的关键是控制烧结温度在较低的范围内，一般在1000°C以下。
这有助于陶瓷在相对较短的时间内完成烧结过程。
三、低温共烧结陶瓷的工艺特点1.能源节约：与传统高温烧结相比，低温共烧结技术能够显著减少能源消耗，有助于实现绿色制造。
2.短烧结周期：由于采用了活性原材料和助剂，低温共烧结陶瓷的烧结周期相对较短，提高了生产效率。
3.材料成分设计：该技术要求对陶瓷材料的成分进行精准设计，以确保在低温下能够实现高度的烧结活性。
4.广泛适用性：低温共烧结技术适用于多种类型的陶瓷材料，可以用于制备多样化的陶瓷制品。
四、低温共烧结陶瓷的应用领域1.电子器件：低温共烧结陶瓷常用于电子器件的封装和绝缘材料制备，以满足对材料高纯度和绝缘性能的要求。
2.陶瓷涂层：在表面涂层领域，低温共烧结技术被广泛应用于制备高性能的陶瓷涂层，如高温抗腐蚀涂层、导电陶瓷涂层等。
3.瓷砖制造：低温共烧结陶瓷技术也可用于生产瓷砖，提高瓷砖的硬度、抗磨性和抗污染性能。
4.生物医学器械：由于低温共烧结陶瓷的成分可控性强，被用于生产生物医学器械，如人工关节、牙科修复材料等。
五、低温共烧结陶瓷技术的未来发展方向1.新型材料研究：进一步研究新型低温共烧结陶瓷材料，寻找更具活性和可控性的原材料，以扩大应用领域。
【精品文章】氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
氧化铝陶瓷的低温烧结技术简介
一、氧化铝陶瓷简介
氧化铝陶瓷材料。
具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能。
同时其生产原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，故已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。
氧化铝陶瓷是一种以α氧化铝为主晶相的陶瓷材料，氧化铝含量一般在75~99.9%之间，通常习惯以氧化铝的含量来分类。
氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。
含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。
99瓷氧化铝瓷材料主要用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。
氧化铝有α（刚玉型）、β、γ、δ等11种变体，其中主要是α、γ两种晶型，而且只有一种热力学稳定相，即α氧化铝。
而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。
它们的结构各不相同。
氧化铝陶瓷
二、氧化铝陶瓷低温烧结技术
由于氧化铝熔点高达2050℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高（参见表一中标准烧结温度），从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体。
氧化铝陶瓷低温常压烧结
氧化铝陶瓷低温常压烧结张全贺051002131摘要：氧化铝陶瓷材料以其优良的性能及较低的制造成本，被广泛应用于国民经济各部门。
随着科学技术的发展，特别是电子、能源、空间技术、汽车工业的发展，对材料的要求越来越苛刻，因此对高纯氧化铝陶瓷尤其是更高纯度的高性能氧化铝陶瓷需求量大为增加。
本课题围绕制各A1203含量>99．8wt％的高纯氧化铝陶瓷进行研究，通过原科粉体预处理工艺、烧结助剂添加工艺、成型优化工艺，从而实现常压下低温烧结高纯高致密氧化铝陶瓷。
本课题中获得的低温烧结试样具有较好的显微结构和较高的机械性能。
原料粉预处理工艺是一种新的氧化铝粉体解团聚方法，具有工艺简单、成本消耗低、粉体处理效果显著的特点，对于粉体解团聚处理工艺的技术进步有一定的促进意义。
在烧结助剂的研究中，本课题MgO为基本考察助剂，Y203、La203、Nd20s、纳米A1203为复合添加助剂，通过相关的选择实验，研究了以上烧结助剂在14500C、1550。
(2、16500C对～203含I>99．8wt％的商纯氧化铝陶瓷的烧结体密度的作用规律。
这一研究的结果，为高纯氧化铝陶瓷的制各提供重要参考数据。
通过高纯超细氧化铝粉料的凝胶浇注成型工艺的研究，优化高纯超细氧化铝粉体的凝胶浇注成型参数，获得了高质量的凝胶浇注成型试样。
以获得的生坯为研究对象，通过对真空烧结工艺参数的分析和工艺试验，在150012温度下，实现了高纯氧化铝陶瓷的低温致密烧结；获得的高纯高致密氧化铝陶瓷密度可达3．979／cm3；烧结体平均晶粒尺寸3～4um；抗弯强度(三点)可达500MPa以上；表面显微硬度可达18．5GPa以上。
关键词：氧化铝陶瓷预处理凝胶成型低温烧结纯1 引言氧化铝陶瓷是指以高纯AI2O3粉末为主要原料，经各种陶瓷工艺制成的晶相晶粒尺寸小于6um并以刚玉为主晶相的氧化铝陶瓷材料，其具有高熔点、高硬度机械性能好、耐蚀、绝缘等优良特性刚玉是自然界中的一种极硬材料，莫氏硬度为9，仅次干金刚石。
低温烧结氧化铝陶瓷采用什么添加剂效果好？终于有人总结了
低温烧结氧化铝陶瓷采用什么添加剂效果好？终于有人总结了氧化铝陶瓷是以α-Al2O3为主晶相的结构陶瓷，由于其具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性良好等优异的性能，而且原料来源广泛、价格低廉，在电子、航空、机械、纺织、化工、建筑等领域得到了非常广泛的应用。
然而，由于Al2O3的熔点高达2050℃，氧化铝陶瓷的烧结温度也较高，这就需要消耗大量的能源，而且对设备的要求也较高。
从节约资源、降低能耗、减少成本的角度考虑，氧化铝陶瓷的低温烧结技术成为了一项重要的研究课题。
目前，对于降低氧化铝陶瓷烧结温度方面的研究较多，归纳起来主要有以下几个方面：(1) 提高原料粉体的细度和活性。
基于表面张力作用原理，采用粒度小、比表面积大、表面活性高的氧化铝细晶为原料可以显著降低氧化铝陶瓷的烧结温度;(2) 采用特殊烧结工艺。
目前主要采用的低温烧结工艺包括热压烧结、热等静压烧结、微波加热烧结、微波等离子体烧结以及放电等离子体烧结等，可以起到降低烧结温度的作用;(3) 添加烧结助剂。
采用不同的设计配方，在原料中引入添加剂，通过不同的作用机理实现氧化铝陶瓷的低温烧结。
由于降低原料粉体粒度需要采用不同的预处理工艺，原料成本高、工艺复杂，而特殊烧结技术往往要消耗能源，同时部分烧结方式难以控制烧结体形状，在不添加任何助剂的情况下制得的氧化铝陶瓷性能较差;因此，与其他方法相比，烧结助剂法具有成本低、效果好、工艺简便的优点，而且通过掺杂改性技术可以大幅提高氧化铝陶瓷的机电性能，是目前最有效的一种低温烧结方法。
烧结助剂的作用机理烧结是通过加热使原料粉体产生颗粒粘结、经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。
普通陶瓷粉体之所以难于烧结，原因就在于其晶格能较高、晶体结构稳定，质点扩散需要较高的活性，即烧结激活能大，因此需要较高的温度。
为了达到促进烧结的目的，一方面可考虑活化晶格，降低烧结激活能，主要通过掺杂破坏稳定的晶格结构使得晶体中产生缺陷或者引起晶格畸变来实现;另一方面可考虑加速扩散过程，主要通过在体系中产生液相，液相通过表面张力作用产生颗粒粘结并填充气孔，同时利用“溶解-沉淀”机理，通过液相传质作用使溶解的小晶粒逐渐在大晶粒表面沉积，达到促进烧结的效果。
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文章编号:1671-3559(2007)01-0017-03收稿日期:2006-10-30基金项目:山东省自然科学基金(Y2006F5);济南市科技明星计划(50119)作者简介:史国普(1981-),男,内蒙古商都人,硕士生;王 志(1962-),山东莱西人,博士,教授,硕士生导师。
低温烧结氧化铝陶瓷史国普,王 志,侯宪钦,孙 翔,俎全高,徐秋红(济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022)摘 要:选用CaO-MgO-SiO 2(CMS)和TiO 2两种添加剂来降低氧化铝陶瓷的烧结温度。
通过设计正交试验讨论烧结助剂和烧结温度对氧化铝陶瓷的相对密度的影响规律,并用扫描电子显微镜观察了不同配方氧化铝陶瓷的显微结构。
结果发现:C MS 质量分数为6%、TiO 2质量分数为1%、烧结温度为1500e 时氧化铝陶瓷的相对密度98.71%。
同时晶体发育比较均匀,没有出现晶体的异常长大和二次再结晶现象。
关键词:Al 2O 3陶瓷;相对密度;添加剂;晶体中图分类号:T B321文献标识码:A氧化铝陶瓷熔点高,硬度高,且有优良的热稳定性和化学稳定性,是优异的工程陶瓷材料之一。
但其离子键较强,从而导致其质点扩散系数低(Al 3+在1700e 时扩散系数仅10-11c m 2#s -1)、烧结温度较高。
例如99氧化铝陶瓷的烧结温度可高达近1800e 。
如此高的烧结温度将促使晶粒长大,残余气孔聚集长大,导致材料力学性能降低,同时也造成材料气密性差,且对窑炉耐火砖的损害较大。
因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度,降低能耗,缩短烧成周期,减少窑炉和窑具损耗,从而降低生产成本,一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
对于陶瓷材料而言,一般采用两种途径来降低其烧结温度[1]:一是通过获得超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的良好烧结活性的粉体来达到降低烧结温度的目的;二是添加适量的烧结助剂,以达到促进材料致密化并且在低温烧结的目的。
其中烧结助剂又分为两类[2]:一类是与氧化铝生成固熔体,例如TiO 2、Cr 2O 3、MnO 2等;另一类是能生成液相,例如:高岭土、CaO 、MgO 、SiO 2等。
降低烧成温度而促进Al 2O 3的烧结,对于烧结助剂的作用机理已形成共识。
因此这种方法在陶瓷领域的工业生产中被广泛采用[3]。
Kwon 和Singh 等[4-5]分别以MgO-Al 2O 3-SiO 2和CaO-Al 2O 3-SiO 2玻璃为烧结助剂,分析并阐述了Al 2O 3陶瓷溶解-沉淀过程的动力学和烧结机理。
然而两种烧结助剂对Al 2O 3陶瓷的液相烧结激活能均较高,致密化效果不好。
溶解-沉淀为液相烧结中的主要过程,它对致密化的贡献与基体在液相中的溶解度有关,溶解度越大则致密化程度越高[6]。
由相图可得Al 2O 3在CaO-MgO-SiO 2中的溶解度远大于其在MgO -Al 2O 3-SiO 2和Ca O -Al 2O3-SiO 2玻璃中的溶解度[1]。
但是仅用CaO-MgO-SiO 2作为烧结助剂,Al 2O 3陶瓷的致密度只能达到95%左右,而且致密烧结温度较高。
因此本文中以商业高纯的A -Al 2O 3为原料,通过添加CaO-MgO-SiO 2和TiO 2两种复合烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度。
1 实验原料及方法实验主要原料为A -Al 2O 3(纯度99.8%,平均粒径6.5L m),CaO-MgO-SiO 2玻璃相(C MS)分别按30B 9B 21的质量比称量混合,TiO 2(纯度99%,平均粒径2.7L m)。
将各个含量的烧结助剂和粉料一起用高纯的氧化铝小球湿磨48h,烘干,加入PVA 造粒,然后在50MPa 条件下压力成型,最后分别在1450e 、1500e 、1550e 的温度下烧结,保温3h 后,炉冷至室温。
利用Archimedes 法测量试样的体积密度。
计算样品相对密度时,分别以3.98g #cm -3、2.69g #c m -3、4.26g #cm -3为A -Al 2O 3、CMS 、TiO 2的理论密度。
用SE M(HI TACHI S-2500,日本日立公司)观察试样的断口形貌以及结晶情况。
第21卷第1期2007年1月济南大学学报(自然科学版)J OURNAL OF UNIVE RSITY OF JINAN (Sci.&Tech 1)Vol.21 No.1Jan.20072 实验结果及讨论2.1 正交试验设计选用两种烧结助剂相结合来降低氧化铝陶瓷的烧结温度,使其既能与氧化铝形成固熔体,又能生成液相,这样降低了氧化铝陶瓷的烧结活化能,进一步促进氧化铝陶瓷的烧结。
选用三因素三水平的正交试验来找出添加剂的含量和烧结温度对氧化铝陶瓷相对密度的影响规律,及其对氧化铝陶瓷烧结性能的影响;获得对试验指标影响最大的因素,以及外加剂的大概含量。
试验设计如表1所示。
表1 正交试验设计试样号CMS 质量分数/%TiO 2质量分数/%温度/e 相对密度/%160.5145098.09261150098.7136 1.5155096.34480.5150095.65581155097.0268 1.5145096.217100.5155095.928101145095.239101.5150095.722.2 实验结果及分析加入烧结助剂的目的就是让氧化铝陶瓷能在更低的温度下烧结,减小烧结氧化铝陶瓷对烧结炉和耐火砖的损耗,降低成本。
通过对正交表的数据分析,可知助烧剂和烧结温度对氧化铝陶瓷相对密度的影响。
见图1。
图1 水平数与氧化铝陶瓷相对密度的关系从图1可以看出,随着C MS 用量的增加,当其质量分数为6%时氧化铝的相对密度值最大。
因为液相烧结分为颗粒重排、溶解-沉淀和后期固体骨架聚合3个阶段。
初期的颗粒重排过程为熔融液相沿晶界填充晶间气孔,此时液相含量越高,氧化铝陶瓷的堆积密度越高,相对密度越大。
重排结束后,氧化铝陶瓷的相对密度主要靠溶解-沉淀过程得到提高,在这一阶段物质通过晶间液相进行扩散,小晶粒溶于液相中并沉积在大晶粒表面,显微结构上表现为平均晶粒尺寸增加,同时相对密度得到进一步提高[7-8];但液相过多则会诱使晶粒异常长大,使得氧化铝晶粒出现二次结晶现象(如图2,C MS 质量分数为10%),同时由于助烧剂含量的增加出现液相包围氧化铝粒子现象,导致晶界气孔排出困难,当冷却时,气孔残留在氧化铝陶瓷内部,导致氧化铝陶瓷的气孔增加。
所以随着烧结助剂含量的增加出现氧化铝陶瓷相对密度降低的现象。
随着TiO 2含量的增加,氧化铝陶瓷的相对密度先增大后降低。
由于TiO 2和Al 2O 3的晶格常数相近,容易形成固熔体。
Ti 4+的离子半径大于Al 3+的离子半径,这样使晶格更易变形,使Al 2O 3陶瓷产生缺陷活化晶格,降低了氧化铝陶瓷的烧结活化能,促进烧结[9]。
但是随着TiO 2用量的增加,由于Ti 4+诱使氧化铝晶体产生晶格畸变,出现晶粒异常长大现象,导致氧化铝陶瓷致密度降低。
图3为TiO 2质量分数为1.5%时的SE M 照片,当烧结温度为1500e 时由于晶粒的畸变,使得氧化铝陶瓷的致密度降低。
图2 CMS 质量分数为 图3 Ti O 2质量分数为10%时的SEM 图 1.5%的SE M 图陶瓷烧结是一个热激活过程,所以烧结温度是影响陶瓷致密烧结的最关键因素之一[10],烧结温度太低,低于粒子相互扩散的活化能,则很难致密烧结。
温度太高,则会诱使晶体出现二次再结晶,同样会降低致密度。
如图1所示,随着烧结温度的升高氧化铝陶瓷的相对密度先增加后降低。
因为随着烧结温度的提高,助烧剂和氧化铝粒子的相互反应越剧烈,粒子之间的相互扩散越明显,导致出现气孔,所以基体的致密度降低(如图4所示)。
图5为表1中2号试样的SEM 照片,从图中可以看出氧化铝晶体发育良好,没有出现晶粒的异常长大和二次再结晶现象。
这也是2号试样致密度高18 济南大学学报(自然科学版) 第21卷图41550e时的SEM照片图52号试样的SEM照片的原因。
通过实验分析了上述几种外加剂对氧化铝陶瓷的烧结致密度的影响情况,发现并不是液相量越多氧化铝陶瓷越致密,也不是烧结温度越高越有利于致密度的提高。
3结论不同助烧剂对氧化铝陶瓷的烧结性能影响不同,加入适量C MS和TiO2可以降低氧化铝陶瓷的烧结温度,但随着C MS含量的继续增加氧化铝陶瓷的相对密度反而降低;随着TiO2含量的增加氧化铝陶瓷的相对密度先增加后降低;同样随着烧结温度的提高,氧化铝陶瓷的相对密度也呈现先升高后降低的现象。
经过实验对比和分析可知,当CMS质量分数为6%,TiO2质量分数为1%,烧结温度为1500e 时,氧化铝陶瓷的致密度为98171%。
表明助熔剂的加入明显降低了氧化铝陶瓷的烧结温度。
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