Ｙ3+摻雜對Ａｌ2Ｏ3陶瓷硬度的影響
2007-01-01 00:00:00鄧毅超周竹發
佛山陶瓷 2007年5期
摘 要 本實驗主要研究了稀土Y2O3添加量、成形壓力和燒結溫度等對氧化鋁陶瓷的影響。研究結果表明，在Y2O3摻量為0.5wt%、壓力20MPa和1600℃燒成（保溫2h）的條件下，Al2O3陶瓷的密度可達3.9g/cm3以上，其硬度也得到了很大程度的提高。微觀結構分析表明，添加Y2O3不僅可以細化晶粒，還能抑制氧化鋁晶粒的異常長大，使晶粒尺寸均勻而形成致密化結構。
關鍵詞 氧化鋁陶瓷，Y2O3，晶粒尺寸，硬度
1前言
氧化鋁是結構陶瓷中的典型材料，具有機械強度高﹑硬度高﹑耐腐蝕﹑耐磨損﹑電阻率大﹑熱穩定性好等特性，能承受機械應力﹑腐蝕﹑高溫﹑絕緣等條件苛刻的環境，廣泛應用于電子﹑化工﹑機械等領域。氧化鋁的主要用途包括：與粉碎有關的球磨﹑振動磨的磨球和內襯、研缽、粉碎機配件等；與工具和量規類相關的切削刀﹑卡規﹑軸承、平臺﹑支座等；與滑動部件相關的機械密封﹑拉絲機部件﹑絲軌﹑釣具鉤﹑造紙用滑板等；與化學設備相關的閥﹑塞子﹑流量劑﹑噴嘴﹑軸承等；以及與成形設備相關的擠壓機﹑注射成形機噴嘴﹑汽缸等。另外還有噴砂嘴﹑噴霧嘴﹑高壓鈉燈發光管等。目前，對氧化鋁陶瓷的研究工作已很廣泛和深入，從75瓷到99瓷都有系統的研究，業已取得顯著成果[1]。
氧化鋁制品的性能因其化學組成和組織結構的不同而有很大變化。純氧化鋁陶瓷的燒結溫度過高，導致晶粒異常生長，影響材料的力學性能。為降低燒結溫度，通常在氧化鋁瓷中加入燒結助劑，但加入量較少時，燒結溫度仍然偏高；加入量過大時，雖可顯著改善燒結性能，但材料力學性能卻會出現較大幅度的下降[2]。在氧化鋁中添加少量的稀土氧化物（如氧化釔﹑氧化鑭﹑氧化鐿﹑氧化銪等）不僅可以降低氧化鋁的燒結溫度，顯著改善其燒結性能，還可以改善其顯微結構，明顯減小晶粒尺寸，抑制反常的晶粒長大，提高氧化鋁瓷的力學性能。同時，材料的硬度也可在一定程度上得到提高。本文較系統地探討了稀土Y2O3對氧化鋁陶瓷的燒結性能、顯微結構和硬度的影響。
2實驗過程
2.1 原料及其處理
陶瓷粉末：α-Al2O3，中國鋁業股份有限公司
燒結助劑：石英、滑石、CaCO3
稀土材料：氧化釔Y2O3，純度99.999%，上海躍龍化工廠
經處理的氧化鋁粉體平均粒徑在1.2μm左右，粒徑分布窄，見圖1。
粘結劑：聚乙烯醇（PVA）
2.2 實驗步驟
先在α-Al2O3中加入5%的燒結助劑，分成四份摻入不同量的Y2O3，編號如表1所示。原料采用干法球磨，料球比取1:10，球磨時間為6h。用聚乙烯醇（PVA）溶液作為粘結劑，手工造粒，過65目篩取篩下料。成形時，依次稱取一定量的粉料，在FW-4A型壓片機上，以20MPa﹑15MPa和10MPa的壓力成形，坯體尺寸為Φ30×5mm。坯體干燥后分別在1570℃﹑1600℃及1650℃下燒成，工藝流程見圖2。
2.3 性能測試
（1） 硬度測試采用HBRV-187.5布洛維硬度計，山東萊州市試驗機總廠
（2） 微觀性能測試采用掃描電子顯微鏡，S-570，日本日立公司（Hitachi）
（3） 粒徑測試采用OMEC LS800歐美克粒度測試儀器，歐美克科技有限公司
3結果與討論
3.1 不同成形壓力對氧化鋁瓷硬度的影響
在相同溫度（1570℃）及同樣保溫時間（1h）的前提下，采用不同壓力成形的未摻Y2O3的A粉氧化鋁陶瓷的硬度不同。較大的成形壓力可使氧化鋁瓷結構更致密，排出氣孔，減少缺陷，提高粉末的結合強度和坯體的硬度。要降低燒結溫度，又要使樣品致密，硬度提高，增加粉體成形時的壓力無疑是有效的方法。這可從兩個方面來解釋：（1）對于相同的粉體，素坯成形壓力高時，顆粒間的接觸點較多，在相同的燒結條件下，由于物質的遷移通道多，致密化的速率得以提高，硬度增大；（2）外壓越大，素坯中的氣孔越小[3]。一般來說，成形壓力愈大，顆粒間接觸緊密，對硬度愈有利。但若壓力過大使粉料超過塑性變形限度，就會發生脆性斷裂。由不同成形壓力下氧化鋁陶瓷硬度的平均值所繪出的曲線（圖3）可知，隨著成形壓力的增大，從10MPa﹑15MPa到20MPa，A粉氧化鋁瓷的硬度不斷提高。
3.2 Y3+對氧化鋁陶瓷硬度的影響
Y2O3的添加對氧化鋁陶瓷硬度的影響很大。摻雜釔離子不僅可以提高氧化鋁陶瓷的強度，改善其力學性能，還可以明顯增大氧化鋁陶瓷的硬度。因為釔離子的添加細化了氧化鋁晶粒，減少了氣孔﹑裂紋等缺陷，使其結合更緊密，密度增大，從而顯著提高了氧化鋁陶瓷的硬度。在1600℃保溫2h，壓力20MPa條件下添加微量Y2O3時，氧化鋁瓷的硬度隨著Y2O3摻雜量的增加稍有增大，如表2所示。
由表2可知，摻Y2O3的氧化鋁陶瓷的硬度比未摻雜的要大得多，隨著Y2O3含量的增加，氧化鋁陶瓷的硬度也在一定程度上有所增大，但并不顯著，這主要是因為增加百分之零點幾Y2O3含量對整個氧化鋁陶瓷來說是很小的，而且Y3+分布的不均勻性及材料本身的缺陷也對其硬度有一定的影響，所以增大效果并不明顯。
3.3 不同燒成溫度與保溫時間對氧化鋁硬度的影響
從某種意義上來說，燒成溫度及保溫時間也對氧化鋁陶瓷的硬度有著或大或小的影響。一般而言，燒成溫度越高，保溫時間越長，則氧化鋁陶瓷的硬度越大，但實驗結果卻與理論有些許出入。在1570℃下保溫1h，壓力20MPa的條件下重新實驗，得到表3的數據，比較表2和表3中的兩組數據可知，雖然表3的燒結溫度低于表2，保溫時間也比表2的短，但當Y2O3的含量分別為0和1%時，表3中氧化鋁陶瓷的硬度卻比表2中的要大。其可能的原因有多種，一種是當Y2O3含量偏低或偏高時，燒結溫度和保溫時間的變化對氧化鋁陶瓷的硬度產生了反作用；另一種則是由于氧化鋁陶瓷本身的缺陷以及實驗步驟或測試過程中出現的儀器誤差和人為誤差所導致的實驗結果不精確。
3.4 Y3+對氧化鋁陶瓷燒結致密度的影響
實驗發現，稀土氧化物Y2O3的加入顯著提高了氧化鋁陶瓷的致密度，Y2O3摻量在0.5%時氧化鋁陶瓷的相對密度達98.9%以上。稀土氧化物由于其性能上的特殊性，是良好的表面活性物質，可改善Al2O3復合材料的潤濕性能，降低陶瓷材料的熔點。加入材料中的稀土氧化物可促進Al2O3與SiO2、CaO等的化學反應，易于形成低熔點液相，加上顆粒之間的毛細作用，促使顆粒間的物質向孔隙處填充，使材料孔隙率降低，致密度提高[2]。
由圖4可知，隨著燒結溫度的適當提高，氧化鋁的致密度也有所改善，其密度從3.87g/cm3增加到3.90g/cm3。摻雜適量Y2O3以后，不僅可以降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度，還能較好地提高其致密度。
3.5 Y3+對氧化鋁陶瓷顯微結構的影響
在1600℃保溫2h時，氧化鋁陶瓷的顯微結構與Y2O3的摻雜量密切相關，隨著Y2O3含量的增加，氧化鋁瓷的晶粒尺寸會不斷減小，氣孔﹑裂紋等缺陷也會減少，其顯微結構更致密（圖5）。在摻入1% Y2O3的氧化鋁陶瓷的SEM顯微照片中可以清楚地看到：晶粒邊界處的釔離子抑制了未摻雜氧化鋁中的反常晶粒長大（圖5d）。其主要原因是，未加Y2O3的95氧化鋁陶瓷，顆粒尺寸較大，由于其燒成溫度較高（1600℃），鋁離子在液相中的遷移速率較快，從而導致氧化鋁晶粒生長速率較快，晶粒尺寸較大。
釔離子的半徑相對鋁離子要大得多，難以與氧化鋁形成固溶體，Loudjani等[5]報道Y2O3在多晶Al2O3中的固溶度僅為300×10-6，因此稀土主要存在于氧化鋁陶瓷的晶界上，降低了Al2O3晶界遷移速率，抑制晶粒長大，形成致密的顯微結構[6～7]，稀土氧化物Y2O3的添加使氧化鋁晶粒尺寸較均勻，抑制了晶粒的異常生長，小顆粒緊密填充在大顆粒之間，顆粒之間緊密性好、氣孔率小，晶體具有較高的致密度[2]。
氧化鋁陶瓷的顯微結構在一定程度上受保溫時間的影響。由實驗以及性能分析測試結果可知，對未摻雜稀土材料Y2O3的氧化鋁瓷而言，保溫時間越長，其晶粒尺寸越大（圖6）；然而，對摻了Y2O3的氧化鋁陶瓷而言，即使保溫時間增加，晶粒的長大也受到了抑制，晶粒尺寸明顯比未摻雜的?。▓D7）。
4結論
（1） 在1600℃保溫2h燒成條件下，Y2O3摻量為0.5%時，氧化鋁陶瓷的密度可達到3.90g/cm3以上，材料具有較高的致密性；
（2） 稀土材料Y2O3的添加可以明顯減小氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸，改善其顯微結構。此外，燒結溫度和保溫時間也會對氧化鋁陶瓷的顯微結構有一定影響；
（3） 在氧化鋁陶瓷中Y2O3的添加對其硬度的影響很大。摻入Y2O3的氧化鋁陶瓷其硬度比未摻雜的要大得多。但隨著Y2O3摻雜量的增加氧化鋁陶瓷硬度的增大并不顯著。此外，成形壓力、燒結溫度和保溫時間也會在一定程度上影響氧化鋁陶瓷的硬度。
參考文獻
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2 姚義俊，丘 泰，焦寶祥等.稀土氧化物對氧化鋁瓷性能的影響[J].真空電子技術陶瓷-金屬封接技術進步和應用專輯，2004，4:28～30
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