凝膠注模工藝制備閉孔多孔Al2O3基陶瓷

張曉東，袁　磊，林師峰，劉　濤，于景坤

(東北大學冶金學院，沈陽110819)

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凝膠注模工藝制備閉孔多孔Al2O3基陶瓷

張曉東，袁磊，林師峰，劉濤，于景坤

(東北大學冶金學院，沈陽110819)

以亞微米Al2O3粉末為原料，MgO為摻雜劑，SiC為高溫發泡劑，利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性變形能力的特點，采用凝膠注模工藝制備了閉孔多孔Al2O3基陶瓷.研究了不同SiC含量對Al2O3基陶瓷燒結密度、開口氣孔率、閉口氣孔率及微觀結構的影響，考察了Al2O3基陶瓷的物相組成及氣孔孔徑的分布和大小，并且與傳統的球磨混合工藝進行了對比.研究結果表明，坯體中MgO與Al2O3反應完全，多孔陶瓷的物相組成為Al2O3和MgAl2O4，并伴有少量的SiO2晶相存在.隨著SiC含量的增加，其燒結密度和開口氣孔率逐漸降低，閉口氣孔率逐漸增加.與球磨混合工藝相比，凝膠注模工藝制備的Al2O3基陶瓷中閉口氣孔的孔徑大小和分布更加均勻.

凝膠注模；閉口氣孔；Al2O3基陶瓷；超塑性

閉口氣孔結構的多孔陶瓷[1]材料具有低熱傳導性、低介電常數、低密度等優良特性，是良好的吸能、隔熱、抗沖擊材料，正逐漸應用于國防、航空航天、建筑及冶金等行業，是近些年的研究熱點之一.

由于陶瓷材料的燒結是氣孔被逐步排除的過程，因此，閉口多孔陶瓷的制備顯得尤為困難.袁磊等人[6]利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性變形能力[7]的特點，通過在坯體中添加SiC為高溫發泡劑，制備出了閉孔結構的多孔Al2O3基陶瓷.鑒于SiC在坯體中的分散是影響閉口氣孔大小和分布的重要因素，有必要進一步研究SiC在坯體中的分散問題.凝膠注模[4,5]是利用有機單體聚合將陶瓷粉料懸浮體原位固化，隨后干燥燒結的一種可制備近終形尺寸陶瓷材料的工藝.將其引入到上述閉孔多孔Al2O3基陶瓷的制備中，由于其在液態溶液中混合各原料，可期望SiC在坯體中獲得良好的分散.

目前，關于利用凝膠注模工藝制備多孔Al2O3基陶瓷，已有諸多研究.徐鯤濠等人[2]利用凝膠注模工藝制備了氧化鋁多孔陶瓷，并研究了其力學和熱學性能；余琴仙等人[4]利用凝膠注模成型工藝制備了Al2O3陶瓷，并對陶瓷坯體的體積密度和抗折強度進行了測定.但其采用的有機單體均對環境有害，而對于環境友好的有機體系凝膠注模研究較少[3]，尤其是對于閉口多孔的Al2O3基陶瓷的研究甚少.

本文采用對環境友好的水性環氧樹脂(乙二醇二縮水甘油醚)為凝膠劑，SiC為高溫發泡劑，利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性的特點，制備出閉口氣孔分布較均勻的閉孔多孔Al2O3基陶瓷，并考察各因素對其性能的影響，以進一步豐富和完善閉口多孔Al2O3基陶瓷的制備工藝.

1　實　驗

1.1實驗原料及過程

實驗所用原料為亞微米級Al2O3(粒徑≤1 μm)，SiC(粒徑≤100 nm)，MgO(分析純)，乙二醇二縮水甘油醚(有機單體)，聚乙烯亞胺(固化劑)，檸檬酸銨(分散劑)，去離子水.實驗原料配比如表1所示.

表1　試樣原料配比(質量分數)

將原料按表1所示進行配料、混合，倒入一定濃度的檸檬酸銨溶液中攪拌，超聲振蕩分散后制成料漿，再加入有機單體和固化劑，再次進行超聲振蕩使其均勻.將攪拌均勻的料漿澆注至模具中并抽真空 1 h，于室溫下干燥固化脫模，再放入 80 ℃的烘箱中烘干 24 h.將干燥后的試樣放入重燒爐中在空氣氣氛下按照一定的升溫制度升溫至 1 600 ℃，并保溫 6 h，隨爐冷卻后取出.

1.2分析與檢測

按GB/T 2997-2000(2004)測定試樣的體積密度和顯氣孔率，閉口氣孔率可由下式(1)計算.

(1)

式中：ρ0為體積密度，ρ為理論密度，Pa為顯氣孔率，Pc為閉口氣孔率.

練習場地是健美操教學與學習不能缺少的一部分，由于健美操有的動作組合難度系數大，不易練習，為避免場地造成的運動損傷，對場地也有一定的要求，但目前河南省高校開設的健美操課程中，場地不僅有室外教學，室內教學，甚至還有無固定場地教學的現象；在音響方面，健美操的練習中，需要音樂的伴奏，從而體現出健美操的節奏美，使健美操在聽覺與視覺中給予人享受。以上現象表明：河南省高校健美操的基礎設施并不能滿足其需求。根據鍵美操項目自身特點，教學設施缺乏不利于其開展，因此各高校領導要加強重視，加大場館投資建設力度，保證高校健美操課的教學質量。

利用X射線衍射分析儀(XRD)檢測材料的物相組成；采用場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察試樣的斷面顯微結構并結合能譜儀(EDS)進行微區成分分析；按GB/T21650.1-2008使用壓汞儀(AutoPour IV 9500，Micromeritrics Instrument Corporation)測定試樣的孔徑分布和氣孔平均孔徑，由于所制備的陶瓷中氣孔為閉口氣孔，因此所測試試樣每個平面均被切成斷口面，以使其閉口氣孔裸露便于測試.

2　結果與討論

2.1多孔Al2O3基陶瓷的物相組成

圖1為所制備的閉口多孔Al2O3基陶瓷的X射線衍射圖譜.從圖中可以看出，試樣中有Al2O3、MgAl2O4尖晶石和SiO2晶相，未發現MgO的衍射峰，這說明添加的MgO摻雜劑全部與基體中的Al2O3反應生成了MgAl2O4尖晶石.

圖1　多孔Al2O3基陶瓷的XRD圖譜

圖2　不同SiC含量下所制備的多孔Al2O3 基陶瓷的體積密度和相對密度

另外，SiC在高溫下氧化產生氣體是Al2O3基陶瓷形成閉口氣孔的主要原因，SiC氧化后必然形成硅氧化合物而存在于基體中，從圖中可以發現，在2θ=26.7°附近發現了少量石英的衍射峰，這表明所添加的SiC最終有部分是以SiO2的形式存在于基體中.

2.2多孔Al2O3基陶瓷的燒結密度和氣孔率

從圖2可以看出，隨著SiC含量的增加，Al2O3基陶瓷的體積密度和相對密度都顯著下降，但當SiC添加量為1%和1.5%時，其體積密度和相對密度略有增加，究其原因認為，當SiC含量增多時，SiC氧化后形成了更多的硅氧化合物，其在高溫下發生了少量的液相燒結，冷卻后形成玻璃相，致使其體積密度有所增加.當SiC含量為2%時，其體積密度和相對密度分別為3.386 g·cm-3和86.62%.導致其燒結密度下降的主要原因是試樣中形成了較多的氣孔，這說明試樣中氣孔的多少是由SiC的含量所決定的.

而由圖3可見，隨著SiC含量的增加，顯氣孔率下降，而閉口氣孔率明顯上升.當SiC含量達到2%時，閉口氣孔率升至10.3%左右，顯氣孔率降至0.96%左右.

圖3　不同SiC含量下所制備的多孔Al2O3基陶瓷的顯氣孔率和閉口氣孔率

2.3多孔Al2O3基陶瓷的微觀結構

圖4示出了以亞微米Al2O3粉末為原料，添加10% MgO和不同含量的SiC凝膠注模工藝和球磨混合工藝制備的多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面掃描電鏡照片.

從圖中可以發現，氣孔形狀基本為圓形且彼此相互獨立，不與外界相通，由此可說明該部分氣孔為閉口氣孔.隨著SiC含量的增加，可以發現氣孔的數量也增加，而且有些氣孔相互貫通，這主要是由于SiC含量的增加，陶瓷的閉口氣孔率增大，大量閉口氣孔的存在將在燒結的過程中相互貫通并形成相對較大的氣孔，且由于陶瓷在高溫下具有超塑性的緣故，氣體無法排出而被封閉在陶瓷內，最終導致較大氣孔的產生.

將兩種工藝所制備的閉口多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面掃描電鏡照片進行對比，可以明顯的看出，凝膠注模工藝所制備的多孔Al2O3基陶瓷閉口氣孔的孔徑更小，且分布更加均勻.

圖4　凝膠注模工藝和球磨混合工藝制備的多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面500倍掃描電鏡照片

2.4多孔Al2O3基陶瓷的氣孔大小與孔徑分布

圖5示出了添加不同含量SiC所制備的各試樣的孔徑分布圖.從圖中我們可以直觀地看出，隨著SiC含量的增加，多孔Al2O3基陶瓷的孔徑大小逐漸增大，且從表2可以得知，當SiC含量為2%時，其平均孔徑達到14.409 μm.由此可充分說明，多孔陶瓷中的閉口氣孔是由SiC高溫發泡所形成的，且隨著小孔徑閉口氣孔逐步增多，在陶瓷高溫超塑性的作用下，晶界逐步產生滑移，氣孔間也逐步沖破其晶界阻力而形成較大的氣孔.這結果也與其微觀結構圖片相一致.

表2　各試樣的平均孔徑

3　結　論

(1)以亞微米Al2O3粉末為原料，MgO為摻雜劑，SiC為高溫發泡劑，利用凝膠注模工藝成功制備出了閉口氣孔率為10.3%，開口氣孔率僅為0.96%的閉口多孔Al2O3基陶瓷.

(2)與普通球磨混合法相比，凝膠注模工藝制備的閉孔多孔Al2O3基陶瓷的閉孔大小和分布更均勻.

(3)隨著SiC含量的增加，多孔Al2O3基陶瓷中的閉孔孔徑逐漸增大，當SiC含量為2%時，其平均孔徑達到14.409 μm.

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Preparation of the Al2O3-based porous ceramics with closed pores by gel-casting

Zhang Xiaodong,Yuan Lei,Lin Shifeng,Liu Tao,Yu Jingkun

(School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

By using the superplasticity of Al2O3-based ceramics at high temperature,the Al2O3-based ceramics with closed pores was prepared by gel-casting,taken submicron Al2O3powder as a raw material,MgO as a dopant and SiC as a high-temperature foaming agent.Effects of SiC on sintering density,apparent porosity,closed porosity and microstructure of the Al2O3-based porous ceramics were studied.The phase composition,pore distribution and size of the Al2O3-based porous ceramics were investigated.The authors’ method was compared with the traditional ball-milling process.The results indicated that the phase of the Al2O3-based porous ceramics is mainly composed of Al2O3and MgAl2O4with small amounts of SiO2.The sintering density and apparent porosity gradually decrease while the closed porosity increases with increase of the SiC content.The pore size and distribution of the closed pores in the ceramics are more uniform compared with those of one made by the traditional ball-milling process.

gel-casting；closed porous；Al2O3；superplasticity

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.009

TQ 174.75

A

1671-6620(2016)02-0123-05