纳米η-Al2O3 的烧结行为研究

图 １ 纳米 ηＡｌ２Ｏ３的 ＸＲＤ谱图与标准谱图的对比 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆｎａｎｏηＡｌ２Ｏ３ ａｎｄ
中图分类号：ＴＱ１７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１９３５（２０１９）０４－０２６３－０５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１９３５．２０１９．０４．００５
烧结刚玉具有优异的体积稳定性、抗热震性、耐 磨性，高的强度，极高的耐火度，良好的抗蠕变性和抗 剥落性等，广 泛 应 用 于 钢 铁、铸 造、陶 瓷 等 行 业［１－３］。 对于致密烧结刚玉［４］（体积密度达 ３．６５ｇ·ｃｍ－３以 上，同时显气孔率低于 ３．０％），目前降低烧结温度的 方法主要有两种，一种是直接采用超细粉原料，另一 种是添加适量的烧结助剂。后一种方法会引入第二 相，抑制晶粒的长大，影响高温性能 ［５］。ηＡｌ２Ｏ３ 属于 立方晶系，活性高，且纳米 ηＡｌ２Ｏ３ 粉所独有的表面 与界面效应［５］使其比表面积大，表面能高，可以为烧 结提供更大的驱动力，降低烧结温度。目前 ηＡｌ２Ｏ３ 主要应用在催化剂载体［６－７］，对于 ηＡｌ２Ｏ３ 在烧结刚 玉制备方面的报道很少。
２．１ 纳米 ηＡｌ２Ｏ３粉的相组成及显微结构 图 １为 纳 米 ηＡｌ２Ｏ３ 的 ＸＲＤ谱 图 与 标 准 谱 图
（ηＡｌ２Ｏ３的是 ＰＤＦＮｏ．０７７－０３９６，αＡｌ２Ｏ３的是 ＰＤＦ
１ 试验
试验 所 用 主 要 原 料 为 纳 米 ηＡｌ２Ｏ３ 粉，纯 度 为 ９９％（ｗ），平 均 粒 径 为 ６０ｎｍ，比 表 面 积 为 ３７７．３４ ｍ２·ｇ－１。结合剂为聚乙烯醇（ＰＶＡ）。
３）山东耐材集团鲁耐窑业有限公司 山东淄博 ２５５２００
摘 要：为探讨纳米 ηＡｌ２Ｏ３的烧结行为，以纳米 ηＡｌ２Ｏ３为原料，聚乙烯醇为结合剂，经造粒、烧结制备刚玉试 样。研究了不同烧结温度（１５５０、１６００、１６５０和 １７００℃）和不同保温时间（０．５、１、１．５、２、４和 ６ｈ）对试样性能 和显微结构的影响，并计算了烧结激活能。结果表明：纳米 ηＡｌ２Ｏ３在 １６５０℃保温 ６ｈ烧结，得到了体积密度 为 ３．７４ｇ·ｃｍ－３、显气孔率为 １．７７％的致密烧结刚玉；纳米 ηＡｌ２Ｏ３在 １５５０～１６５０℃的烧结激活能为 ２７８．０１ ｋＪ·ｍｏｌ－１，而较低的烧结激活能有利于烧结进行；低温烧结制备的刚玉中没有晶体异常长大现象，晶粒之间结 合紧密，以穿晶断裂为主，晶间气孔少，晶粒尺寸在 ３．５～７．５μｍ。 关键词：纳米 ηＡｌ２Ｏ３；低温；烧结刚玉；烧结行为
国家自然科学基金项目（５１７０２１４４）。 李凤友：男，１９９１年生，硕士研究生。 Ｅｍａｉｌ：２５３５９２４７７８＠ｑｑ．ｃｏｍ 通信作者：张玲，女，１９６５年生，教授。 Ｅｍａｉｌ：４５２４３３８７６＠ｑｑ．ｃｏｍ 收稿日期：２０１８－０９－２０
编辑：张子英
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｈｃＲＩＥＳ ２６３
着温度升高，过渡相 ηＡｌ２Ｏ３ 到 αＡｌ２Ｏ３ 的转化路径
为［８］：ηＡｌ２Ｏ３
８５０℃
→
１１００℃
θＡｌ２Ｏ３ →
αＡｌ２Ｏ３。
率随保温时间的变化曲线。由图 ３可知，在同一烧结 温度下，随着保温时间的延长，试样的体积密度逐渐 增大，显气孔率逐渐减小。保温时间的延长，使更多 的界面反应发生，气体有充足的时间利用晶界的快速 通道迅速排出，从而降低试样的显气孔率，使试样致 密。从图 ３还可以看出，当烧结温度≤１６５０℃时，随 着烧结温度的升高，试样的体积密度逐渐增大，显气 孔率逐渐减小。刚玉的烧结是一个热激活过程，温度 的升高提供了烧结所需的激活能，提高了固相烧结过 程的界面反应速率，促进试样烧结。但当烧结温度 ＞ １６５０℃时，过高的温度使晶体生长速率加快，异常长 大晶体数量增多，残余气孔聚集长大，使其体积密度 下降，显气孔率上升。
第２０１５９３卷年第８４期月
２６３～２６７
纳 米 ηＡｌ２Ｏ３ 的 烧 结 行 为 研 究
李凤友１） 张 玲１） 苏 鑫２） 常雅楠３） 张志豪２） 张 欢１）
１）辽宁科技大学 高温材料与镁资源工程学院 辽宁鞍山 １１４０５１ ２）营口青花集团 辽宁大石桥 １１５１００
在本试验中，选用纳米ηＡｌ２Ｏ３粉为原料，研究了 烧结温度和保温时间对致密烧结刚玉的体积密度、显 气孔率和显微结构的影响，并计算烧结激活能，分析 纳米 ηＡｌ２Ｏ３粉的烧结行为，期望实现烧结刚玉的低 温制备。 ０
将 １００％（ｗ）的纳米 ηＡｌ２Ｏ３ 粉，外加 ５％（ｗ）的 聚乙烯醇在行星球磨机（ＸＱＭ－２）上球磨 ６ｈ混匀，烘 干后进行造粒，过 ３５目（即 ０．５ｍｍ）筛，经 ２００ＭＰａ压 制成 ２０ｍｍ×２０ｍｍ的圆柱试样。然后放入干燥箱 内于 １１０℃干燥 ２４ｈ后，放入电阻炉中于 ５５０℃保温 １ｈ排出 ＰＶＡ，继 续 升 温，至 最 高 温 度 分 别 为 １５５０、 １６００、１６５０、１７００℃ 进 行 煅 烧，保 温 时 间 均 分 别 为 ０．５、１、１．５、２、４和 ６ｈ。保温结束后，试样随炉冷却待检。
按 ＧＢ／Ｔ２９９７—２０００和 ＧＢ／Ｔ５９８８—２００７分别检 测烧后试样的体积密度、显气孔率和线变化率。采用 荷兰 Ｘ’ｐｅｒｔ－Ｐｏｗｄｅｒ型 Ｘ射线衍射仪对纳米ηＡｌ２Ｏ３粉 进行物相分析。采用德国 Ｚｅｉｓｓ∑ＩＧＭＡ场发射扫描电 镜观察纳米 ηＡｌ２Ｏ３粉和烧后试样断面的显微结构。
２ 结果与讨论
耐火材料 ／ＮＡＩＨＵＯ ＣＡＩＬＩＡＯ ２０１９年第 ５３卷
Ｎｏ．０８８－０８２６）的对比。可知，ηＡｌ２Ｏ３ 粉同时存在
ηＡｌ２Ｏ３和 αＡｌ２Ｏ３ 两 相，通 过 ＸＲＤ半 定 量 分 析 可
知，ηＡｌ２Ｏ３为 ９６．５％（ｗ），αＡｌ２Ｏ３为 ３．５％（ｗ）。随