氫氣氣氛下兩步法無(wú)壓燒結(jié)制備Al2O3半透明陶瓷

朱 淵，張曉娟，2，劉桂武，喬冠軍

（1.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.西安工程大學(xué)理學(xué)院，西安710048）

0 引 言

20世紀(jì)60年代Coble［1］研制成功了第一塊半透明多晶Al2O3陶瓷，由于其具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕和優(yōu)良的光學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于高壓鈉燈、金屬鹵燈等照明領(lǐng)域。

對(duì)于多晶Al2O3半透明陶瓷來(lái)說(shuō)，一方面，減小晶粒尺寸可以提高其力學(xué)性能，如硬度和強(qiáng)度［2–6］，從而延長(zhǎng)使用壽命；另一方面，要提高透光性能，就要求其燒成密度接近理論密度，盡量減少氣孔的存在。要同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)就要求降低燒結(jié)溫度以保持較小的晶粒尺寸，同時(shí)施加壓力保證氣孔的排除，使試樣達(dá)到致密。針對(duì)這兩點(diǎn)要求，目前主要采取的燒結(jié)方法有熱壓燒結(jié)［7］、熱等靜壓燒結(jié)［8］和等離子體燒結(jié)［9］，其中熱等靜壓燒結(jié)對(duì)設(shè)備要求高，生產(chǎn)成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)；而熱壓燒結(jié)和等離子體燒結(jié)不易制備形狀復(fù)雜的試樣，多限于實(shí)驗(yàn)室研究。

目前，已有學(xué)者提出了制備小晶粒（納米至亞微米）、高致密度、低氣孔率陶瓷的方法［10］，兩步法無(wú)壓燒結(jié)就是其中的一種［11］，目前它已在、、、和等陶瓷的燒結(jié)上獲得了應(yīng)用。另外，在氫氣氣氛中燒結(jié)Al2O3半透明陶瓷有利于氣孔的排除及試樣致密度的提高［18］，對(duì)于提高透光率是十分有利的。如果把以上兩者結(jié)合起來(lái)，就可以降低能耗與生產(chǎn)成本，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)也有望提高材料的力學(xué)性能和產(chǎn)品的使用壽命。然而，現(xiàn)階段將兩步法燒結(jié)與氫氣氣氛燒結(jié)結(jié)合起來(lái)制備Al2O3半透明陶瓷的研究還很少，為此，作者在氫氣氣氛中采用兩步法無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)制備了Al2O3半透明陶瓷，確定出了第一步燒結(jié)和第二步燒結(jié)的溫度范圍，并分析了用該法制備陶瓷的光學(xué)性能和力學(xué)性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

將市售高純?chǔ)粒瑼l2O3微米級(jí)粉與燒結(jié)助劑（MgO和Y2O3的混合物，兩者的質(zhì)量比為5∶2）按比例混合，其中添加MgO主要是為了抑制晶粒的異常長(zhǎng)大［19］，添加Y2O3主要是為了提高燒結(jié)速率，加速試樣的致密化［20］；然后，將粉料加入乙醇在ND7－4L型行星球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混料，混好后將料漿在70℃的干燥箱中干燥24h，干燥后過(guò)篩造粒；最后，在LDT－6000型冷等靜壓機(jī)上采用冷等靜壓成型制備素坯，成型壓力為200MPa。

將素坯在氫氣氣氛、常壓下，從室溫以10℃·min－1的恒定速率升溫至1 350～1 900℃，不保溫，直接爐冷至室溫，測(cè)試不同溫度下試樣的晶粒大小和相對(duì)密度，從而獲得密度、晶粒大小和致密化速率與溫度的關(guān)系曲線，用以確定第一步燒結(jié)溫度T1。

將素坯在氫氣氣氛、常壓下，從室溫以10℃·min－1的恒定速率升溫至1 450～1 900℃，在不同溫度點(diǎn)保溫0～3h，通過(guò)測(cè)試試樣的晶粒大小和相對(duì)密度，獲得密度、晶粒大小隨保溫時(shí)間變化的曲線，用以確定第二步燒結(jié)溫度T2。

最后將素坯在氫氣氣氛下以恒定速率10℃·min－1升溫至1 750℃后迅速爐冷降溫至1 650℃，然后保溫2h，再隨爐冷卻至室溫，制得φ15mm×1mm的圓柱試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

將制得試樣進(jìn)行雙面拋光，利用UV－1800PC型分光計(jì)和積分球測(cè)試樣的透光率；用Quanta 600FEG型掃描電鏡（SEM）對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察；用Instron1195型萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度；用HV－1000型維氏硬度計(jì)測(cè)試樣的維氏硬度；采用阿基米德排水法測(cè)試樣的相對(duì)密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 第一步燒結(jié)溫度T1的確定

由圖1可見(jiàn)，燒結(jié)溫度在1 350～1 550℃時(shí)，試樣的相對(duì)密度變化不大，且都比較低，這不利于第二步燒結(jié)的致密化過(guò)程［11］。圖2的致密化速率曲線中在1 650～1 750℃區(qū)間出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，之后致密化速率下降，根據(jù)Hansen等的燒結(jié)模型［21］可知，這種下降是由于燒結(jié)末期晶粒的突然長(zhǎng)大造成的。從圖2晶粒大小－溫度曲線可以看到，1 750℃以上晶粒的長(zhǎng)大確實(shí)加快了，在1 900℃時(shí)長(zhǎng)大的更明顯。伴隨著晶粒的突然長(zhǎng)大，擴(kuò)散距離就會(huì)增加，燒結(jié)致密就變得困難，這樣不利于第二步燒結(jié)。所以，確定T1的上限為1 750℃；又由于1 650℃以下致密化速率較慢，所以選擇1 650℃作為T1的下限。

2.2 第二步燒結(jié)溫度T2的確定

從圖3（a）可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度高于1 750℃時(shí)，不保溫試樣的晶粒尺寸比較大。對(duì)1 750℃以下溫度的點(diǎn)做線性擬合發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度在1 650℃以上時(shí)直線的斜率突然增大，在1 650℃以下的斜率則都較小，且差別不大，這說(shuō)明隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，燒結(jié)溫度在1 650℃以上時(shí)晶粒的生長(zhǎng)速度很快，所以選取1 650℃作為T2的上限。

從圖3（b）可以看出，燒結(jié)溫度在1 550℃以下時(shí)，雖然保溫很長(zhǎng)時(shí)間（3h），但試樣的相對(duì)密度還是較低（95%以下），這可能是因?yàn)樵谳^低的燒結(jié)溫度下，Al2O3陶瓷主要是表面擴(kuò)散或Ostwald熟化（OR）機(jī)制在起主導(dǎo)作用［22］，而這種作用不僅不利于致密化，而且還會(huì)造成氣孔的增大，會(huì)對(duì)試樣的光學(xué)性能有較大的不利影響，所以將T1的下限定為1 600℃。

2.3 燒結(jié)性能

將兩步無(wú)壓燒結(jié)（T1＝1 750℃，T2＝1 650℃）制備的試樣與傳統(tǒng)一步燒結(jié)制備的（燒結(jié)溫度1 800℃，保溫2h）做對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種燒結(jié)方法制備試樣的光學(xué)性能和力學(xué)性能Tab.1 Opitical and mechnical performances of samples prepared by the two sintering processes

從表1可以看出，兩步燒結(jié)法制備試樣的直線透光率下降較為明顯，這是由其平均粒徑減小、晶界增多導(dǎo)致光的散射增加所致；但其全透光率仍然可以滿足燈管的要求。另外，其力學(xué)性能有了大幅提高，能有效延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

從圖4可以看出，兩步燒結(jié)法制備試樣的晶粒尺寸約為6μm，與升溫至1 750℃不保溫情況下試樣的平均晶粒大小（4.5μm）相比，沒(méi)有明顯長(zhǎng)大。可見(jiàn)該方法很好地控制了晶粒的長(zhǎng)大；并且透明性較好。

3 結(jié) 論

（1）采用兩步法無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)在氫氣氣氛下制備了Al2O3半透明陶瓷，其第一步燒結(jié)溫度T1和第二步燒結(jié)溫度T2的范圍分別為1 650～1 750℃和1 600～1 650℃。

（2）采用該燒結(jié)法制備的試樣在力學(xué)性能上較一步燒結(jié)的有了大幅提高，其光學(xué)性能達(dá)到了燈管的要求。

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