礦化劑對莫來石陶瓷影響的研究

方仁德，楊華亮，廖有為，林飛

（佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山　528031）

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礦化劑對莫來石陶瓷影響的研究

方仁德，楊華亮，廖有為，林飛

（佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山528031）

本文以粘土、氧化鋁粉及硅酸鋯等原料為基礎配方，外加一定量的礦化劑設計四組配方，并將其分別在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃下燒制，檢測其燒成情況。在1575℃下燒結，試樣的吸水率及孔隙率較高，體積密度不低，因而選用1575℃為參考燒成溫度。在該溫度下，隨著配方中的礦化劑含量的增大，試樣中的第三相也逐漸升高，第三相的含量為礦化劑含量的兩倍；試樣的SEM照片顯示，隨著礦化劑含量的升高，莫來石及第三相晶體發育的愈大，試樣的強度也逐步提高，3#配方的強度最高，而4#配方的強度保持率最高。

莫來石；第三相；合成溫度；礦化劑

1　引言

莫來石-剛玉質復相陶瓷因同時具有莫來石相熔點高、熱膨脹系數低、抗蠕變、抗熱震和剛玉相彈性高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等特點，使得其性能優越于純剛玉陶瓷和純莫來石陶瓷，再者由于莫來石與剛玉相熱膨脹系數不同，復相陶瓷內部存在熱膨脹失配，可形成裂紋。在熱應力的作用下，這些裂紋可吸收彈性應變能，使驅動主裂紋擴展的能量降低，提高復相陶瓷的斷裂表面能，從而提高抗熱震性。

為了拓寬剛玉莫來石陶瓷的應用范圍，加入一定量的礦化劑以降低材料的膨脹系數是一種常用的方法。

本文旨在通過外加礦化劑調節復相陶瓷的合成溫度和配方，制備出結構和性能均最佳的陶瓷。

2　試驗內容

2.1剛玉莫來石陶瓷的制備

根據原料及組成點的化學組成進行配方計算，按照下列工藝過程制備試樣。

原料→配料→濕法球磨→干燥、造粒→成型→干燥→燒成

其中，細磨料全部過200目篩，加入一定量的PVA作粘結劑，采用半干壓法壓制成型，成型壓力為30 MPa，試樣尺寸為：50mm×10mm。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中分別于1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃保溫3 h燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2復相陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率、孔隙率和體積密度，利用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相；采用JM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面微觀形貌；利用三點彎曲法測量燒結體的抗折強度，并通過試樣經過1150℃抗熱震性后的抗折強度保持率表征其熱穩定性。

3　結果與討論

3.1合成溫度對陶瓷的影響

圖 1所示為不同配方在 1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結體的燒成收縮圖。

圖1　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結體的燒成收縮

其中，加入1#、2#、3#、4#試樣中的礦化劑量逐漸增多。從圖1可知，所有試樣隨著燒成溫度的升高，燒成收縮均呈先降低后升高的趨勢，其中1#配方的試樣在1597℃時的燒成收縮最低，其余三個配方的試樣在1575℃時的燒成收縮最低，說明礦化劑的引入，活化了晶格，促進了陶瓷的燒結，因此2#、3#和4#試樣在1575℃時收縮率達到最低。將2#、3#和4#試驗結果對比可知，2#試樣的收縮較大，3#和4#試樣的收縮較小，這說明礦化劑含量較低時起促進燒結作用，隨著礦化劑含量的增加，收縮較小，說明在配方中已形成第三相，而該相的熱膨脹系數較低，故收縮較小。

圖2所示為不同配方試樣在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結體的吸水率曲線。

圖2　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃燒結體的吸水率曲線

從圖2可知，1#和2#樣品的吸水率隨著燒結溫度的升高，呈現先增大后降低的趨勢，而3#和4#樣品的吸水率卻是逐漸降低。一般而言，隨著溫度的升高，陶瓷的氣相逐漸降低，吸水率會降低。在1558℃之前，1#和2#樣品中的小氣孔在溫度的作用下，逐漸熔合成大氣孔，而外表面的小氣孔未達到閉合狀態，因此吸水率有一個上升的階段。吸水率的高低并不能完全看出陶瓷的燒結情況，因為結構陶瓷的吸水率除了與其內部的氣孔量相關外，還與氣孔大小的分布及均勻性相關，因此應該綜合陶瓷的孔隙率和體積密度進行綜合分析。

圖3所示為不同配方試樣在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃的孔隙率、體積密度曲線。

圖3　不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃的孔隙率（a）、體積密度（b）曲線

從圖3所示的孔隙率和體積密度情況可以看出，隨著溫度的升高，試樣的孔隙率先增加后降低，這與試樣的吸水率隨溫度變化的情況相當，在1558℃時吸水率最高，1#配方的體積密度最小，這是比重較小的莫來石以及非晶質相含量高所致；燒結溫度為1575℃時的吸水率和顯氣孔率較高，但是試樣的體積密度并非最低，說明此溫度的燒結體較為致密，并且從節能的角度來說，選用1575℃為燒結溫度，考察不同配方對陶瓷的結構和性能影響，較為適宜。

3.2不同配方對燒結體結構的影響

表1所示為不同配方試樣在1757℃燒成后的物相情況。

從表1可以看出，1#配方的非晶質相的含量較高，主要是由于在1575℃下，試樣未完全燒結，而在1597℃時燒結最為致密，這可以通過燒成收縮以及吸水率和體積密度進行體現。低溫時，粘土中的鉀鈉離子較易形成玻璃相，導致了強度偏低，隨著礦化劑含量的增加，第三相的含量增加，與此同時，非晶質相含量大幅度降低，這是由于礦化劑爭奪了體系中的Al2O3，形成第三相，導致了形成二次莫來石的SiO2量較低，因而非晶質相的含量較低。其中，剛玉的熱膨脹系數是8.2×10-6/℃，莫來石的熱膨脹系數是5.3×10-6/℃，而第三相的熱膨脹系數更低，從表1可以看出，4#樣的熱膨脹系數匹配程度較好，因此其熱穩定性也最好。

表1　不同配方試樣在1575℃燒成后的物相情況

如圖4所示為不同配方試樣在1575℃時燒結后的斷面掃描照片。

圖4　不同配方試樣在1575℃時燒結后的斷面掃描照片

從圖4的斷面掃描照片可以看出，1#、2#試樣的空隙均較大較深，其中1#和2#試樣的孔洞最大約10～15 μm，1#照片中的孔洞甚至有15～20μm。1#試樣中的大量晶粒被玻璃相所包裹，且部分晶粒被熔融；3#試樣主要為柱狀晶體，晶體最大，大小為10μm左右，晶體大小均勻，并且整個區域內的晶體也分布非常均勻，玻璃相將晶體包裹，部分熔融，結構非常緊湊，幾乎沒有空隙，因而3#試樣的強度最大；4#試樣的晶體較大，未出現大的空隙，細小的空隙均勻分布在整個區域，結構相當緊湊，從照片可以看出，里層可以看到明顯的柱狀晶體，晶體互相交錯著排列。

3.4合成溫度對陶瓷性能的影響

圖5所示為不同配方在1575℃時燒結后的試樣抗彎強度。表2為不同配方的抗熱震性。

圖5　不同配方在1575℃時燒結后的試樣抗彎強度

從圖5可以看出，不同配方的試樣抗彎強度呈現先增加后下降的趨勢，其中3#試樣的抗彎強度最高。

表2　不同配方的抗熱震性

從表2可以看出，3#配方的常溫強度最高，這是由于第三相互交錯的分布在莫來石晶體中，起著“釘扎效應”［1］，支架結構加強了對外來應力的抵抗力，強度得到提高，3#配方中第三相含量最高，但是強度保持率不是最高，這有可能是第三相的熱膨脹系數太低，含量過高，導致基質和骨料的熱膨脹系數差較大，產生的裂紋較大，在熱沖擊作用下，裂紋發生了擴展，致使1150℃的熱震后強度較低；從4#配方的斷面掃描照片可以看出，條狀莫來石晶體發育良好，并形成交錯的網絡結構，玻璃相和第三相填充在網絡結構的間隙中，并且可以看到明顯的相接觸，適當的玻璃相將晶相隔開，形成細小的裂紋，在經過1150℃的熱震后，這些微裂紋對熱沖擊起到緩沖作用，因而4#配方的強度保持率最高，為63.19%。

4　結論

本試驗中四個配方在不同溫度下的吸水率和空隙率呈現類似的變化趨勢，且在1575℃下燒結性能最好。隨著配方中的礦化劑含量的提高，燒結體中的第三相的含量也提高，其含量基本為礦化劑加入量的兩倍；三點彎曲法檢測結果顯示，隨著配方中的礦化劑含量的提高，試樣的強度也逐步提高，3#配方的強度最高，而4#的常溫強度保持率最高。

［1］李立本,郭惠芬,等.缺陷釘扎導致的鐵電陶瓷介電弛豫效應［J］.河南大學科技學報,2012,33（5）：93～95.