滑石用量對鋁質瓷性能的影響

余 輝，羅凌虹，石紀軍，程 亮，孫良良

(景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403)

滑石用量對鋁質瓷性能的影響

余 輝，羅凌虹，石紀軍，程 亮，孫良良

(景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403)

在鋁質瓷中滑石引入量一般小于5wt.%，起到簡單的助熔作用，而在鎂質瓷中滑石用量為65wt.%～75wt.%，在瓷體中生成均勻分散的原頑火輝石、堇青石晶粒，對整個瓷胎起到彌散增強的作用。實驗通過研究1330 ℃下鋁質瓷中滑石的用量對鋁質瓷的燒結性能、抗折強度的影響，并通過XRD測試技術分析高強鋁瓷的相組成。結果表明：在燒制溫度1330 ℃下，當外加滑石用量為15wt.%時，滑石在鋁質瓷燒制過程中不僅起到良好的助熔作用，而且在高溫下與坯體反應生成均勻分布的原頑火輝石細小顆粒，對瓷胎起到彌散增強，有助于鋁質瓷力學性能的提高。

滑石；鋁質瓷；彌散增強

0 引 言

鋁質瓷具有較好的機械強度、耐磨性、耐腐蝕性等，在研磨材料、耐火材料、耐腐蝕化工材料的研發與產業化中得到廣泛的應用。然而鋁質瓷的燒成溫度較高(一般高于1350 ℃)[1]，能源消耗大，且對窯具窯爐的損耗大。為此降低鋁質瓷的燒結溫度并提高它的機械性能是當前意義重大且具有挑戰性的研究。

降低鋁質瓷燒結溫度的主要途徑有：(1)采用超細的氧化鋁粉為鋁源，粉體越細燒結活性越高，越有助于低溫燒結；(2)采用復合礦化劑作為溶劑，增加液相燒結，加快傳質速度，從而降低制品燒結溫度；(3)通過在配方中引入變價氧化物(如：TiO2)，與α-A12O3形成固溶體，促使陽離子空位增加，強化擴散而完成低溫燒結[2]。

國內外許多學者針對降低鋁質瓷燒成溫度做出了大量研究。黃暉[3]通過改變75氧化鋁瓷中堿金屬的添加量，將75瓷的燒成溫度降到了1350 ℃。孫海濱等[4]系統研究了硼酸、氯化鎂、氟化鋁等礦化劑對α-Al2O3顯微結構的影響。劉曉娟等[5]通過研究Dy2O3的摻雜對氧化鋁瓷燒結性能的影響，結果表明Dy2O3的摻雜有利于促進瓷體致密化并抑制氧化鋁顆粒的異常生長。董偉霞等[6]采用復合燒結助劑MgO-CaO-ZnO-SiO2-MgF2有效地較低鋁質瓷的燒成溫度，并制得在1270～1330 ℃燒成的抗折強度達165 MPa氧化鋁復相陶瓷樣品。謝根生等[7]研究了少量滑石對鋁質瓷燒結性質和力學性能的影響。當滑石用量1%時，生成足夠的液相不僅起到促進燒結的作用，還能充分潤濕氧化鋁顆粒表面，抑制了氧化鋁晶粒的異常長大，使鋁質瓷粒度分布均勻。

雖然很多學者已經試驗出有效的方法來降低鋁質瓷的燒成溫度，但是在氧化鋁瓷中大幅度增加滑石用量，使滑石在瓷體中一方面起到助熔作用促進低溫燒結，另一方面均勻生成頑火輝石晶粒彌散增強的研究還未報道。本研究是以開發高機械性能、中溫燒制的傳統瓷用高鋁陶瓷材料為目的，結合滑石在鎂質瓷中的應用機理，系統地研究滑石的用量對鋁質瓷的機械性能和燒結性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗主要原料為超細氧化鋁(α-A12O3)、蘇州土、白云石、燒滑石、石英、氧化鋅，其化學組成見表1。

1.2 實驗內容

以氧化鋁70wt.%、高嶺土8wt.%、白云石10wt.%、石英9wt.%、氧化鋅3wt.%為基礎配方，在鋁質瓷配方中分別外加1、5、10、15、20、25、30(wt.%)的滑石，各組料分別350 r/min高速球磨3 h(各組配方編號見表2)，制得泥漿干燥后壓條，1330 ℃下保溫2 h燒制得鋁質瓷試條。

表1 主要坯用原料及其化學組成 (wt.%)Tab.1 The chemical composition of main raw materials (wt.%)

表2 根據滑石添加量不同進行鋁質瓷配方編號Tab.2 The alumina porcelain formula number depending on the talc content

1.3 主要測試方法

采用三點彎曲法測試試樣的抗折強度，設備為WOW-10電子萬能材料試驗機；

將燒成試樣加工成規格尺寸為6×7×20 mm3，用試驗機進行三點抗折強度的測定，計算公式為：

其中，σ 為抗折強度(Mpa)； p為斷裂載荷(N)；l為兩支點之間的距離(m)； b為試樣的寬度(m)；h為試樣的高度(m)。

測定吸水率是判定陶瓷是否燒結致密的方法之一，一般吸水率的測試有真空法和煮沸法兩種。吸飽水后的質量與完全沒吸水前的質量差，與吸水前質量之比，則為吸水率。吸水率越大，瓷體氣孔率越多，說明胎體越疏松；吸水率越小，說明瓷體燒結越致密。用阿基米德法測定燒結試樣的吸水率，計算公式為：

其中，m1為干燥式樣的質量；m2為飽和式樣在空氣中的質量；Wa為吸水率。

利用X衍射分析試樣的物相，設備為D8-Advance XRD衍射儀。

2 實驗結果分析與討論

2.1 滑石的添加量對鋁質瓷性能的影響

通過對7組配方制得的試條進行抗折強度、吸水率測試。得出在1330 ℃燒成溫度下滑石用量對抗折強度及吸水率的影響關系圖(見圖1)。隨滑石用量的增加，鋁質瓷的強度總體呈先增后減的趨勢，且外加滑石用量為15wt.%左右時，鋁質瓷達到此組抗折強度最高值141.45 MPa。吸水率總體呈下降的趨勢，說明滑石用量越高，該配方越容易燒致密。

外加滑石用量為1wt.%左右時，瓷體中生成的液相能較好地包裹在氧化鋁顆粒表面，抑制氧化鋁顆粒的異常生長，使氧化鋁陶瓷有較均勻的微觀結構。此時鋁質瓷強度較高。當外加滑石用量為5wt.%左右時，鎂鋁尖晶石析出，析出量越多，液相粘度越大，對液相燒結起到抑制作用，從而鋁質瓷強度降低[7]。當外加滑石用量高達15wt.%時，鋁質瓷達到此組抗折強度的最高值，通過XRD衍射分析(見圖2)可得：配方H-4在1330 ℃下燒成制得的鋁質瓷中有明顯A12O3相和頑火輝石相。頑火輝石是滑石高溫分解的產物，均勻地分布在鋁質瓷瓷體中，與氧化鋁顆粒產生大量的晶界，增加了裂紋的擴展路徑和不規則性，提高瓷體的斷裂能，此時鋁質瓷抗折強度達最大值。當外加滑石用量超過15wt.%時，抗折強度明顯降低，但吸水率＜0.1%，說明過量的滑石導致燒成過程中液相過多，瓷體發生過燒現象。

2.2 不同溫度下鋁質瓷最高抗折強度點的滑石用量

通過對比鋁質瓷配方H-2～H-5在1330 ℃和1340 ℃下燒制后試樣的抗折強度曲線見圖3：在1340 ℃燒成溫度下燒制的最高抗折強度鋁質瓷配方是H-3，抗折強度為145.34 MPa，H-3配方滑石外加量為10wt.%；在1330 ℃燒成溫度下燒制的最高抗折強度鋁質瓷配方是H-4，抗折強度為141.45 MPa，H-4配方滑石外加量為15wt.%。說明滑石量越高，越有利于鋁質瓷的低溫燒結，但是高溫燒制的鋁含量高的鋁質瓷的強度還是略高于低溫燒制的鋁含量相對較低的鋁質瓷的抗折強度。

圖1 1330 ℃燒成溫度下滑石用量對抗折強度及吸水率的影響關系圖Fig.1 The infuence of the talc dosage on the fexural strength and water absorption of alumina porcelain sintered at 1330 ℃

圖2 1330 ℃燒成的H-4鋁質瓷的XRD圖Fig.2 The XRD pattern of alumina porcelain H-4 sintered a 1330 ℃

圖3 1330 ℃和1340 ℃下燒成鋁質瓷的抗折強度Fig.3 The fexural strength of alumina porcelain sintered at 1330 ℃ and 1340 ℃

3 結 論

(1)通過單因素實驗考究1330 ℃燒成溫度下單一滑石變量對鋁質瓷抗折強度的影響，結果表明：外加滑石用量為15wt.%時，鋁質瓷的抗折強度有最高值141.45 MPa。且鋁質瓷的抗折強度隨滑石外加量的增大總體呈先增后減的趨勢。

(2)通過XRD衍射分析得出最高強度的鋁質瓷中有原頑火輝石晶粒生成。鋁質瓷中滑石添加一定量時，滑石不僅起到簡單的助熔作用，其生成物頑火輝石晶粒還起到彌散增強的作用。

(3)燒成溫度越高，最高抗折強度的鋁質瓷中的外加滑石用量越低。但是高溫燒制的鋁含量高的鋁質瓷的強度還是略高于低溫燒制的鋁含量相對較低的鋁質瓷的抗折強度。

[1] 朱志斌, 郭志軍, 劉英, 等. 氧化鋁陶瓷的發展與應用[J]. 陶瓷, 2003, (1): 5-7.

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SHI Guopu, et al. Journal of University of Jinan (Science and Technology), 2007, 21(1): 17-19.

[3] 黃暉, 宮華, 等.低溫燒結75氧化鋁瓷的研究[J]. 陶瓷工程, 2001, 35(2): 28-30.

HUANG Hui, et al. Ceramics Science＆Art, 2001, 35(2): 28-30.

[4] 孫海濱, 劉婷, 等. 不同礦化劑對α-Al2O3顯微結構的影響[J].陶瓷學報, 2012, 23(2): 203-206.

SUN Haibin, et al. Journal of Ceramics, 2012, 23(2): 203-206.

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DONG Weixia, et al. Journal of Ceramics, 2009, 30(2): 195-199.

[7] 謝根生, 蔡梅良, 丁子上. 少量滑石對高鋁瓷燒結性質和力學性能的影響[J]. 陶瓷, 1991, (5): 8-12.

XIE Gensheng, et al. Ceramics, 1991, (5): 8-12.

Effect of Talc Dosage on Properties of Alumina Ceramic

YU Hui, LUO Linghong, SHI Jijun, CHENG Liang, SUN Liangliang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In general, a dosage of less than 5wt.% talc in alumina ceramic can help fuxing, but in magnesia porcelain the talc dosage is 65wt.% ～ 75wt.%. It can generate evenly dispersed protoenstatite and cordierite grains and thus dispersion strengthening the porcelain body. In the experiment, the effects of the talc dosage on the sintering properties and fexural strength of alumina porcelain sintered at 1330 ℃ were studied, and the phase composition of high strength aluminum porcelain was analyzed through XRD. Results show that when sintered at 1330 ℃, a dosage of 15wt.% talc not only produced very good fuxing effect, but also reacted with the porcelain body and generated in it evenly-distributed tiny protoenstatite particles, which could reinforce the porcelain body and improve the mechanical properties of alumina porcelain.

talc; alumina porcelain; dispersion strengthening

date: 2014-02-15. Revised date: 2014-03-20.

TQ174.73

A

1000-2278(2014)04-0398-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.010

2014-02-15。

2014-03-20。

國家自然科學基金資助(編號：51262010,51162014)；江西省重大科技創新項目(編號：20114ACE00300)。

羅凌虹(1966-)，女，博士，教授。

Correspondent author:LUO Linghong(1966-), female, Ph. D., Professor.

E-mail:luolinghong@tsinghua.org.cn