低温烧结氧化铝陶瓷

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 # 。
图! $%& 质量分数为 #. ( 时的 &9% 图 图4 )*+! 质量分数为
# " / ( 的 &9% 图
表#
试 样 号 # ! 4 0 / 3 2 1 $%& 质量 分数 ’ ( 2 2 2 #. #. #.
化铝晶粒出现二次结晶现象 （如 图 ! ， $%& 质 量 分 数 为 #. ( ） ， 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 )*+! 含量的增加， 氧化铝陶瓷的相对密度 先增 大 后 降 低。 由 于 )*+! 和 67! +4 的 晶 格 常 数 相 近， 容易形成 固 熔 体。 )*0 8 的 离 子 半 径 大 于 674 8 的 离子半径， 这样使晶格 更 易 变 形， 使 67! +4 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
第 (! 卷第 ! 期 ())# 年 ! 月
济南大学学报 （自然科学版） N/OPQ8R /+ OQMHKP2M4* /+ NMQ8Q（ 2<3 7 S 4I<DT ）
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文章编号： （())#） !"#! $ %&&’ )! $ ))!# $ )%
低温烧结氧化铝陶瓷
［3 5 2］ 高 ； 但液相过多则会诱使晶粒异常长大， 使得氧
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 # 所示。
第"期
史国普， 等： 低温烧结氧化铝陶瓷
"1
［/］ RCSCT-MC N， (<==-:> ? @3 @-KG-J 6 HLC=< =-:A<I-:> 9F CDGM-:C B9CA<J ［ 5］ （ 2"） ： 8-AL MC>:<=-GM CDGM-:9=-D-BCA< >DC== 3 5 NM +<ICM &9B， "112 ""/* 3 ［ 4］ 郭瑞松， 杨正方， 袁启明， 等 3 复合助剂对 U,N 陶瓷烧结性能的 影响 ［ 5］ （ )4） ： 3 硅酸盐学报， "111 ， ) )#2 6 )/* 3 ［ 2］ 汤文明， 吕 王君， 丁厚富， 等 3 低温烧结氧化铝陶瓷材料的研究 ［ 5］ （ *） ： V 材料科学与工艺， "114 ， # 22 6 1" 3 ［1］ 刘于昌， 黄晓 巍 3 +G. W ,-.) 复 相 添 加 剂 对 氧 化 铝 陶 瓷 烧 结 性 能和显微结构的影响及其烧结动力学分析 ［ 5］ 3 现代技术陶瓷， 图! " ##$ % 时的 &’( 照片 图# ) 号试样的 &’( 照片 （ "） ： )$$/ 1 6 ") 3 ［"$］ 孙义海， 张玉峰， 郭景坤 3 低温烧结 *X 6 ,UY 陶瓷的微观 结 构 与力学性能 ［ 5］ （ *） ： 3 硅酸盐学报， )$$) ， *$ )/4 6 )4" 3
!
实验原料及方法
实验主要原料为 !$ 89( /（纯度 平均粒 ’’ 7 , 5 ， %
， （ -02 ） 分别按 径 " 7 &" =） -./ $ 01/ $ 23/( 玻 璃 相 平均 粒 %) F ’ F (! 的质量比称量混合， 43/（纯度 ’’ 5 ， ( 径 ( 7 #" 。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 E, D ， 烘 干， 加 入 GH8 造 粒， 然 后 在 &) 0G. 条 件 下 压 力 成 型，最 后 分 别 在 保温 % D ! E&) 6 、 ! &)) 6 、 ! &&) 6 的 温 度 下 烧 结， 后， 炉冷至室温。 利用 8?<D3=IJI> 法测量试 样的体 积密 度。计 算 样品相对密度时， 分别以 % 7 ’, 1 ・<= $ % 、 ・<= $ % 、 ( 7 "’ 1 ・<= $ % 为 !$ 89( /% 、 E 7 (" 1 -02 、 43/( 的理论密度。用 （ LM48-LM 2 $ (&)) ， 日 本 日 立 公 司） 观察试样的 2K0 断口形貌以及结晶情况。
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 (&))((）
摘
要： 选用 -./ $ 01/ $ 23/（ 和 43/( 两种添加剂来降 ( -02）
［%］ 领域的工业生产中被广泛采用 。 ［E $ &］ 分别 以 01/ $ 89( /% $ 23/( ABC@ 和 23@1D 等
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。
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陶瓷烧结是 一 个 热 激 活 过 程， 所以烧结温度是
［#.］ ， 烧结温度 影响陶瓷致密烧结的最关键因素之一
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 # 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
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 4 为 )*+! 质 量 分数为 # " / ( 时的 &9% 照片， 当烧结温度为 # /.. , 时由于晶粒的畸变， 使得氧化铝陶瓷的致密度降低。
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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
［1］ 进烧结 。但是随着 )*+! 用量 的 增 加， 由 于 )*0 8 诱
正交试验设计
)*+! 质量 分数 ’ ( ."/ # #"/ ."/ # #"/ ."/ # #"/ 温度 ’, # 0/. # /.. # //. # /.. # //. # 0/. # //. # 0/. # /.. 相对密 度’( 12 " .1 12 " 3# 1- " 40 1/ " -/ 13 " .! 1- " !# 1/ " 1! 1/ " !4 1/ " 3!
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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铝陶瓷的
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 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
图# 水平数与氧化铝陶瓷相对密度的关系
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 0 所示） 。 图 / 为表 # 中 ! 号试样的 &来自百度文库% 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 ! 号试样致密度高
［"］ 高 。由相图 可 得 89( /% 在 -./ $ 01/ $ 23/( 中 的
溶 解 度 远 大 于 其 在 01/ $ 89( /% $ 23/( 和 -./ $ 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 （ 89% ; 在 、 烧结温度较 ! #)) 6 时扩散 系 数 仅 !) $ !! <=(・> $ ! ） 高。例如 ’’ 氧化铝陶瓷的烧结温 度 可 高 达 近 ! ,)) 残余气孔 6 。如此高的烧 结 温 度 将 促 使 晶 粒 长 大， 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
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。
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： 烧结温 -02 质量分 数 为 " 5 、 43/( 质 量 分 数 为 ! 5 、 度为 ! &)) 6 时 氧 化 铝 陶 瓷 的 相 对 密 度 ’, 7 #! 5 。 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： 相对密度； 添加剂； 晶体 89( /% 陶瓷； 中图分类号： 4:%(! 文献标识码： 8
从图 # 可 以 看 出， 随 着 $%& 用 量 的 增 加， 当其 质量分数为 - ( 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 5 沉淀和后期固体骨 架聚合 4 个阶段。初期的颗粒重排过程为熔融 液 相 万方数据 沿晶界填充晶间气孔， 此时液相含量越高， 氧化铝陶
和 -./ $ 89( /% $ 23/( 玻 璃 为 烧 结 助 剂， 分析并阐述 了 89( /% 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 89( /% 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
［!］ ［!］ 。 但 是 仅 用 -./ $ 89( /% $ 23/( 玻 璃 中 的 溶 解 度
01/ $ 23/( 作为烧 结助 剂， 89( /% 陶瓷的 致密 度 只 能 达到 ’& 5 左右， 而且 致 密 烧 结 温 度 较 高。 因 此 本 文 中以商业高纯的 ! $ 89( /% 为 原 料， 通 过 添 加 -./ $ 01/ $ 23/( 和 43/( 两种复合烧结助剂来降低陶 瓷的 烧结温度。
： 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
［(］
： 一类
是与氧化铝生 成 固 熔 体， 例 如 43/( 、 -?( /% 、 0@/( 等； 另一类是能生 成 液 相， 例 如： 高 岭 土、 -./、 01/、 23/( 等。降 低 烧 成 温 度 而 促 进 89( /% 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