烧结助剂对氧化铝陶瓷低温烧结的影响

烧结助剂对氧化铝陶瓷低温烧结的影响

吴懋亮;孙翰霆;刘中俊;蔡杰

【摘要】氧化铝(Al2O3)陶瓷烧结温度较高,通过添加烧结助剂可以实现Al2O3陶瓷的低温烧结.对比分析了不同含量的CuO-TiO2和MnO2-TiO2-MgO复合烧结助剂在不同的烧结温度下对Al2O3烧结性能的影响,得到了烧结助剂含量和烧结温度对Al2O3陶瓷体积收缩率、体积密度以及内部显微结构的影响规律.实验分析表明,在1 350℃的烧结温度下,添加4％(质量分数)CuO-TiO2和MnO2-TiO2-MgO 的烧结助剂,Al2O3陶瓷分别能获得高达3.67 g/mm3和3.76 g/mm3的体积密度,并且在扫描电子显微镜下观察到良好的显微结构.

【期刊名称】《上海电力学院学报》

【年(卷),期】2019(035)001

【总页数】5页(P11-15)

【关键词】氧化铝陶瓷;低温烧结;烧结助剂

【作者】吴懋亮;孙翰霆;刘中俊;蔡杰

【作者单位】上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090

【正文语种】中文

【中图分类】TQ174.75

氧化铝(Al2O3)陶瓷材料不仅具有高强度、高硬度、耐高温等优秀的力学性能,而且还具备良好的化学稳定性,在航天、航空、汽车、生物等行业具有广泛的应用前景[1-2]。但是Al2O3陶瓷熔点高,烧结温度一般在1 800 ℃以上。高的烧结温度,不仅要消耗大量能源,而且烧结成的陶瓷制件结构上会存在很多缺陷,使用性能会大大降低。因此,在保证Al2O3陶瓷优良品质的前提下,有效降低Al2O3陶瓷的烧结温度具有十分重要的意义。

添加烧结助剂是降低Al2O3陶瓷烧结温度、调控显微结构的主要方法。胡继林等人[3]以MnO2-TiO2-CaO-La2O3为烧结助剂,在1 450 ℃下就获得了抗弯强度为357.12 MPa,洛氏硬度值为78.0,体积密度高达3.78 g/mm3的Al2O3陶瓷。ERKALFA H等人[4]以CuO-TiO2-MgO-B2O3为烧结助剂,在1 250 ℃下获得了相对密度为99.2%的Al2O3陶瓷。

采用3D打印技术加工陶瓷零件时,陶瓷浆料的粒径、pH 值、颗粒分布、黏度和添加剂都直接影响打印效果[5]。本文主要研究了陶瓷浆料的制备和烧结方法,对比了陶瓷浆料中CuO-TiO2和MnO2-TiO2-MgO两种复合烧结助剂对Al2O3陶瓷低温烧结的作用,分析了不同烧结助剂含量对Al2O3陶瓷烧结性能的影响,以及不同烧结温度下,Al2O3陶瓷的物理性能和内部微观结构的变化。

1 样件的制备

实验中选用Al2O3陶瓷的基本原料,密度为3.97 g/cm3。以CuO-TiO2和

MnO2-TiO2-MgO为复合烧结助剂,烧结助剂配比、烧结助剂含量和烧结温度的设置如表1所示。

表1 复合烧结助剂配方实验方案陶瓷基料复合烧结助剂烧结助剂含量/wt%烧结温度/ ℃αAl2O3CuO∶TiO2=1∶2,MnO2∶TiO2∶MgO=6∶3∶12,3,4,51 250,1 300,1 350,1 400

Al2O3陶瓷浆料的制备过程如下:在常温下,将分散剂PMAA-NH4溶于去离子水中搅拌均匀配置成预混液;将Al2O3和烧结助剂粉末分别按照表1中的方案进行混合;按0.8%(体积分数)比例的分散剂PMAA-NH4与Al2O3陶瓷混合粉末进一步混合,用球磨机进行4 h球磨;将球磨好的陶瓷粉料加入预混液中,放入搅拌机进行搅拌;向浆料中加入适量氨水或盐酸进行pH值调节,制得固相含量为56%(体积分数)、pH 值为10左右的陶瓷浆料。

实验样件通过3D打印机加工,零件尺寸为20 mm×20 mm×20 mm,打印出的

Al2O3陶瓷坯体首先进行干燥处理,真空加热干燥13 h,将坯体内残留的水分排出,直至坯体几乎不再失重。这时干燥过程基本完成。

Al2O3陶瓷样件的烧结分为两个阶段——有机添加剂脱脂阶段和陶瓷烧结致密化阶段。脱脂的作用是去除陶瓷浆料中的分散剂等有机材料,因为这些有机材料会在后续的烧结过程中变成气体,造成尺寸膨胀,从而导致陶瓷制件产生裂纹、变形,甚至塌陷等某些缺陷。脱脂阶段结束后,进一步升高温度至烧结温度,Al2O3晶粒长大,高温使粉末颗粒之间发生粘结,使得Al2O3陶瓷烧结致密。

烧结曲线是陶瓷低温烧结的一个重要的工艺步骤。烧结曲线主要考虑升温速度、烧结温度和保温时间,它们之间相互关联。为防止坯体开裂,烧结前期要采用较小的2 K/min的升温速度,分别在180 ℃和300 ℃保温1 h,以保证坯体能够完全脱

脂;600 ℃以后,提高升温速度到5 K/min,按照不同的烧结温度要求,分别达到1 250 ℃,1 300 ℃,1 350 ℃,1 400 ℃,并分别保温1.5 h;最后随炉冷却至室温,获得烧结完成的陶瓷样件。

2 结果与讨论

由于烧结助剂的类型、含量以及最终烧结温度的不同,所以烧结后的陶瓷样件将表现出不同的收缩率、体积密度和内部微观结构特征。

2.1 Al2O3陶瓷烧结收缩率测试

陶瓷坯体在成型、干燥、烧结阶段都会发生一定程度的收缩,对比工件在成形和烧结后的尺寸变化,陶瓷材料烧结收缩率计算公式为

(1)

式中:ε——收缩率,%;

X0——成形后试样的尺寸,mm;

Xi——烧结后试样的尺寸,mm。

在CuO-TiO2和MnO2-TiO2-MgO两种烧结助剂下,陶瓷胚体的收缩率如图1所示。

由图1可以看出,陶瓷制件的收缩率随着烧结温度的升高而变大,当烧结温度达到1 350 ℃后,变化变缓,温度对收缩率的影响减小。无论是添加CuO-TiO2还是

MnO2-TiO2-MgO复合烧结助剂,Al2O3陶瓷的收缩率都较大,基本处于14%～18%,而且随烧结助剂含量的增加而增加,当烧结助剂含量为4%(质量分数)时达到最大。

采用CuO-TiO2复合烧结助剂时,收缩率达到18.1%;采用MnO2-TiO2-MgO复合烧结助剂时,收缩率达到17.6%。当烧结助剂含量继续增大时,收缩率会下降,采用CuO-TiO2复合烧结助剂时,含量为5%(质量分数)的收缩率与含量为3%(质量分数)的收缩率相当。

图1 收缩率随烧结温度和烧结助剂含量的变化曲线

2.2 Al2O3陶瓷的体积密度变化

采用排水法测量烧结后Al2O3陶瓷的体积密度。图2为添加两种烧结助剂下,陶瓷材料体积密度随烧结温度的变化曲线。

由图2可以看出,添加CuO-TiO2复合烧结助剂的Al2O3陶瓷的体积密度,从1 250 ℃到1 300 ℃时变化不明显,1 300 ℃以后,其体积密度急剧增大,分别从1