浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析

浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析

2007-12-03 11:24:04| 分类：个人日记|举报|字号订阅

浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析

摘要：阐述了添加剂对A12O3陶瓷的性能影响的原理及机制,综述近年来A12O3陶瓷的添加剂应用研究现状。并详细论述了不同添加剂对A12O3晶粒异向生长及其性能的影响,分析了不同条件下A12O3晶粒的显微结构及其异向生长机理。最后对下一步的研究方向进行了展望。

关键词：添加剂氧化铝陶瓷进展

1，引言：

在工业日益发展的今天氧化铝陶瓷具有高硬度、耐高温、耐磨、抗氧化、强度良好等特点,已广泛应用于机械、冶金、化工、医疗等各个领域,是应用最广泛的结构陶瓷. 但因韧性差,强度有待提高,而影响了它的使用寿命和更广泛的应用，，然而由于Al2O3 自身阳离子电荷多, 半径小, 离子键强的特点,导致其晶格能较大, 扩散系数低, 烧结温度高. 一般纯氧化铝陶瓷的烧结温度在1 700 ℃以上, 这样高的烧结温度在工业上较难普遍实现, 而且不利于降低成本; 同时结构上也会存在较多的缺陷, 对材料力学性能不利. 为了促进氧化铝陶瓷致密化, 降低烧结

温度, 一般在原料里引入添加剂，从而添加剂对其性能的改善也日见重要！.

添加剂通过2 种作用方式促进氧化铝陶瓷的烧结：

1 与氧化铝基体形成固溶体，通过增加氧化铝的晶格畸变，使扩散速率变大，从而促进烧结；

2：添加剂本身或者添加剂与氧化铝基体之间形成液相。

氧化铝陶瓷常见种类有：刚玉瓷，高铝瓷，陶瓷刚玉磨料，氧化铝涂层，透明氧化铝陶瓷，多孔陶瓷等等.. ..

氧化铝瓷的常见晶型有a-Al2O3 β-Al2O3 γ-Al2O3等添加剂的引入可使其晶型转变从而提高其化学物理性能。

本文将从添加剂使氧化铝陶瓷晶型转变和烧结等方面的改变，进行阐述和分析。

2 为何添加剂对氧化铝陶瓷性能可以产生影响

2.1 几种常见的应用于氧化铝陶瓷中的添加剂

典型的以固溶烧结方式促进氧化铝致密的添加剂为TiO2 、MgO 以及

Y2O3 等. 其中促进烧结效果最明显的是TiO2 , 而MgO 和Y2O3 有不同的影响作用. MgO 在降低烧结温度上没有TiO2 的效果明显, 但是它能细化氧化铝晶粒, 在一定条件下使之完全致密化, 达到理论密度，Y2O3 对氧化铝的烧结是有害的 , 但是它能有效改变氧化铝晶粒形貌, 并且会在晶界中以钇铝石榴石的形态析出, 对氧化铝陶瓷的高温力学性能有利. 添加剂的选择应该考虑到可能的作用方式, 如果是液相烧结, 有必要对形成液相的低共熔点、液相的粘度、与氧化铝基体的润湿情况进行考察; 如果是固溶烧结, 那么有必要对添加剂离子半径、电价进行考虑.考虑到Nb 与Al 的原子半径和离子半径相差不大, 而Nb5 + 与

Al3 + 离子电价上相差较大, 因而向氧化铝中引入Nb2O5 后能使氧化铝晶格产生较大的畸变能, 可能会对氧化铝陶瓷的烧结有较好的促进作用.

单独添加MgO能抑制A12O3 晶粒的异向生长，而大部分添加剂(如

TiO2, SiO2, CaO 等)则能诱导氧化铝晶粒在特定方向上快速生长，形成板状或片状的晶粒；添加剂CaF2，La2O3，CeO2，Cr2O3，Na2O 则诱导氧化铝晶粒异向生长，在晶界处形成板状或棒状化合物，起到了很好的自增韧效果

以Nb2O5 为添加剂, 降低了氧化铝陶瓷的烧结温度, 使氧化铝晶粒迅速长大. 对烧结性能和显微结构分析表明, Nb2O5在氧化铝晶格中的固溶促进了氧化铝的烧结. 烧结性能结果显示, 掺杂1.0%Nb2O5 的氧化铝样品在1 500 ℃下获得最大致密度,不同添加剂含量的样品晶粒平均尺寸不一样, 添加量为1.0%时为

9μm;为2. 0 %时为16μm.力学性能测试结果显示, 引入Nb2O5 后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.以Nb2O5 为烧结助剂, 通过无压烧结制备氧化铝陶瓷. 研究了Nb2O5 对氧化铝陶瓷的致密化和显微结构的影响. 结果表明, 少量的Nb2O5对氧化铝陶瓷的致密化具有明显的促进作用, 当Nb2O5 的添加量为1 %时, 可使氧化铝陶瓷在1500 ℃获得致密. 显微结构上, Nb2O5 对氧化铝的晶粒生长也具有显著的促进作用.Nb2O5 对致密化和晶粒生长的促进作用主要是通过它在氧化铝晶粒中的固溶来实现的. 力学性能测试表明:加入

Nb2O5 后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.

把形成液相的MnO+TiO2复相添加剂加入到氧化铝中，把氧化铝陶瓷烧结到接近理论密度，即而很少有气孔被包裹到晶粒内去，绝大部分被排除掉，从而促进

氧化铝的烧结。并可以使氧化铝陶瓷在约.12500 C下致密，相对密度达到98%以上，除此之外，典型的液相型添加剂还有CAS，MAS 玻璃相。它们不仅对氧化铝陶瓷的烧结具有不同程度的促进作用，还对其显微结构产生极大的影响，可以促使氧化铝生成各向异性的晶粒，使之具有较大的长径比

CuO+TiO2复相添加剂

极大地促进了氧化铝的烧结，可以使烧结温度降低到1300O下。当CuO与TiO2质量比为1/2时，促进致密效果最好，使相对密度达到99%。液相烧结可以分为3个过程，即颗粒重排、溶解-沉淀孔等结合过程，液相量越高，促进烧结的效果越好，烧结温度越低。添加剂加入后使氧化铝晶粒出现一定程度的生长，晶粒形貌、尺寸趋向一致。通过烧结动力学实验计算，得到掺杂CuO+TiO2的表观激活能为25.2千焦，氧化铝中的铝子的扩散过程控制了氧化铝陶瓷的烧结。以固溶烧结方式促进氧化铝致密的添加剂为TiO2 、MgO 以及Y2O3 等. 其中促进烧结效果最明显的是TiO2 , 而MgO 和Y2O3 有不同的影响作用. MgO 在降低烧结温度上没有TiO2 的效果明显, 但是它能细化氧化铝晶粒, 在一定条件下使之完全致密化, 达到理论密度由于Y3 + ( r = 0. 093 nm) 离子与

Al3 + ( r= 0. 041 3 nm) 离子半径相差很大, 因而Y2O3 对氧化铝的烧结是有害的.但是它能有效改变氧化铝晶粒形貌, 并且会在晶界中以钇铝石榴石的形态析出, 对氧化铝陶瓷的高温力学性能有利添加剂的选择应该考虑到可能的作用方式, 如果是液相烧结, 有必要对形成液相的低共熔点、液相的粘度、与氧化铝基体的润湿情况进行考察; 如果是固溶烧结, 那么有必要对添加剂离子半径行考虑.

(1) 有机添加剂显著地影响胶粒之间的相互作用，在溶胶中加入添加剂，溶胶的粘度增加，作为涂层用溶胶，其中的添加剂含量应不大于3%(wt)；

(2) 由于添加剂的包裹和隔离作用，与不加添加剂的涂层相比，涂层后多孔陶瓷载体的比表面积与孔径同时增加，满足了多孔陶瓷作为催化剂载体的要求；(3) 分子量不同的添加剂对提高多孔陶瓷载体的比表面积的贡献不同，焙烧温度900℃时比表面积的效果最好；

(4) 当涂层焙烧温度高于900℃，载体的氧化铝涂层的比表面积急剧减小，添加剂对提高载体比表面积的作用不大，故涂层的焙烧温度不应高于900℃。

2.2添加剂对其影响

添加剂抑制晶粒生长，促进烧结，促进陶瓷致密化，对氧化铝陶瓷晶型转变等方面均产生影响。下面就从烧结和晶型这两大方面进行阐述。