納米氧化鋁對氧化鋁陶瓷性能的影響

肖長江 朱玲艷 張恒濤 栗正新

摘 要：本文以1μm氧化鋁粉為基體材料，分別加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的納米氧化鋁粉；采用常規(guī)方法燒結(jié)得到一系列的氧化鋁陶瓷；然后對氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量等方面的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：隨著30nm氧化鋁的加入，氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量都有不同程度的增加。

關(guān)鍵詞：氧化鋁陶瓷；硬度；抗彎強(qiáng)度；彈性模量

1 前言

氧化鋁陶瓷，又稱剛玉瓷，是一種以a-Al2O3為主晶相的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于其本身具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐熱、耐腐蝕、電絕緣性好等特性，因此，可以在較苛刻的條件下使用。氧化鋁陶瓷的價(jià)格低廉，是目前生產(chǎn)量最大，應(yīng)用面最廣的陶瓷材料之一，主要應(yīng)用于刀具、耐磨部件及生物陶瓷領(lǐng)域。此外，它還廣泛應(yīng)用于宇航、能源、航空航天、化學(xué)化工電子等方面[1]。近年來，由于對材料性能的要求高，人們提出各種提高氧化鋁陶瓷性能的方法，其中主要有：熱壓燒結(jié)[2-4]、放電等離子燒結(jié)[5]、微波燒結(jié)[6]和加入添加劑[7]等。結(jié)果表明：采取一些新的措施后，使得氧化鋁陶瓷在抗彎強(qiáng)度和硬度等方面的性能大大地提高。

本文以1μm 氧化鋁粉為基體材料，分別加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的納米氧化鋁粉；采用常規(guī)方法燒結(jié)得到一系列的氧化鋁陶瓷；然后對氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量等方面的性能進(jìn)行了測試。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)用的1μmAl2O3粉是由鄭州融華公司生產(chǎn)，產(chǎn)品的基本參數(shù)為：外觀為白色粉末、晶粒的平均粒徑為1～1.5μm、晶體結(jié)構(gòu)為α相，純度≥99.8%，其他雜質(zhì)為Na2O、SiO2和Fe2O3。30nm的Al2O3是由杭州萬景新材料有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品的基本參數(shù)為：外觀為白色粉末、晶體結(jié)構(gòu)為α相，純度≥99.9%、晶粒的平均粒徑為30±5nm。

2.2 試驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)燒結(jié)方法來燒結(jié)氧化鋁陶瓷。其具體過程如下：首先，30nm的Al2O3粉成形前需用超聲波分散；然后，按照配方的要求準(zhǔn)確稱取所需的量加入到1μm 的Al2O3粉中；其次，再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PVA（聚乙烯醇）作為粘結(jié)劑加入到Al2O3粉中；最后，研磨均勻，在250 MPa的壓力下壓成尺寸約為3mm×4mm×36mm的坯體。樣品在常規(guī)燒結(jié)中，其燒成制度為：升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫時(shí)間為2h；達(dá)到保溫時(shí)間后隨爐冷卻，樣品經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光；然后采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試其三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，要求試件跨距為30mm、加載速度為0.5mm/min。試樣硬度由洛氏硬度計(jì)測得。

3 結(jié)果分析與討論

加入不同含量的30nm Al2O3粉的氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能如圖1、2、3所示。

由圖1可知，隨著納米氧化鋁粉含量的增加，樣品的洛氏硬度（HRA）一直增加。當(dāng)含量從0%增加到1%時(shí)，其洛氏硬度從82.2迅速增加到84.6。當(dāng)添加量在5%～20%之間時(shí)，增加速度較慢，其最大值為86.4。由圖2可知，斷裂強(qiáng)度的變化曲線與硬度變化不同，隨著納米氧化鋁粉的加入，斷裂強(qiáng)度值的整體變化趨勢為先降低，后增加。當(dāng)添加量為0 %時(shí)，其斷裂強(qiáng)度值為199.5MPa；隨著納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時(shí)，其斷裂強(qiáng)度降低到190.1MPa；當(dāng)納米氧化鋁粉的加入量為20%時(shí)，斷裂強(qiáng)度值增加到209.1 MPa。由圖3可知，當(dāng)納米氧化鋁粉的加入量為0%時(shí)，其彈性模量為4337.7 MPa；當(dāng)納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時(shí)，彈性模量增加到11298.2 MPa；當(dāng)納米氧化鋁粉的加入量為10%時(shí)，彈性模量達(dá)到最大，其值為64785.1 MPa。

從上面的分析可知，總體趨勢是隨著30nm的Al2O3的加入，氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量都增加，但其影響的趨勢和程度不同。一般認(rèn)為，加入納米材料后樣品力學(xué)性能的提高，其主要是因?yàn)榧{米材料占據(jù)基體空隙位置和細(xì)化晶界所導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

在1μm 的Al2O3粉中添加不同含量的30nm的氧化鋁粉后，其氧化鋁陶瓷的性能發(fā)生了改變。

（1） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，樣品的洛氏硬度（HRA）一直增加。當(dāng)添加含量為20%時(shí)，洛氏硬度達(dá)到最大，其值為86.4。

（2） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，斷裂強(qiáng)度值的整體變化趨勢為先降低，后增加。

（3） 隨著納米氧化鋁粉含量的增加，彈性模量呈增加趨勢，當(dāng)添加量為10%時(shí)，其值達(dá)到最大，為64785.1 MPa。

（4） 加入納米材料后樣品力學(xué)性能在不同程度上得到了提高，其主要是因?yàn)榧{米材料占據(jù)了基體空隙位置和細(xì)化晶界所導(dǎo)致的。

參考文獻(xiàn)

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