高鋁強化瓷的制備與研究

◎董明堂

高鋁強化瓷的制備與研究

◎董明堂

本文以氧化鋁、粘土、氧化鈦、鎂質粘土、碳酸鈣、碳酸鋇為原料，以坯體的抗折強度為性能指標，采用正交試驗和分析尋找到最佳的配方。借助XRD、SEM等分析測試手段研究了不同原料的添加量對坯體性能的影響。結果表明：坯體在燒成溫度為1330℃，抗折強度＞200 MPa，吸水率＜0.3%，燒成收縮在3.66～4.99%之間。優化配方：氧化鈦的加入量為2wt%，鎂質粘土、碳酸鈣和碳酸鋇的加入量為1wt%。高鋁強化瓷的坯體中主要含有氧化鋁和針狀的莫來石相，兩者按特定的比例存在且分布均勻時，抗折強度等性能指標最優。

實驗

試驗方案。高鋁強化瓷坯體的基礎配方：黏土25wt%，氧化鋁65wt%。

以氧化鈦（TiO2）、鎂質粘土、碳酸鈣、碳酸鋇為4因素，查閱并選用L9（34）正交表來進行正交試驗和分析，具體實驗方案見表1。

表1 坯的表頭設計（質量%）

制備工藝。本課題制備高鋁強化瓷的過程，和傳統的陶瓷生產工藝類似，其基本工藝過程如下：

①濕磨過篩。根據實驗方案，用天平稱取氧化鋁、粘土等原料，放在球磨罐里，按照料：球:水=1:3:0.8，加入球磨子和水，加入添加劑（水玻璃、三聚磷酸鈉或PAAS），400r/min，快磨15min，將球磨后的原料過325目篩。

②干燥。采用紅外干燥方式，直到所得原料徹底干燥為止。

③磨細過篩。將經過紅外干燥的原料放在研缽中，磨細過篩（325目），控制篩余為＜5%。

④噴水造粒陳腐。用原始的噴釉裝置噴水，直至形成的粉體拋在空中不至于散掉為止，裝到樣品袋里，陳腐12h。

⑤干壓成型。所得的原料，利用電動壓條機，控制壓強為8Mpa，盡可能確保壓出的條截面為一個正方形。

⑥燒成制度。5min/℃從室溫到1330℃自然冷卻。

結果分析和討論

坯體正交試驗結果

1#:抗折強度156.67 MPa; 線收縮率3.66%;吸水率1.67%;

2#:抗折強度260.93 MPa; 線收縮率4.81%;吸水率0.18%;

3#:抗折強度299.40 MPa; 線收縮率4.65%;吸水率0.05%;

4#:抗折強度306.16 MPa; 線收縮率4.93%;吸水率0.13%;

5#:抗折強度220.80 MPa; 線收縮率4.84%;吸水率0.22%;

6#:抗折強度174.80MPa; 線收縮率4.40%;吸水率0.12%;

7#:抗折強度248.50 MPa; 線收縮率4.99%;吸水率0.10%;

8#:抗折強度200.25 MPa; 線收縮率4.71%;吸水率0.12%;

9#:抗折強度174.00MPa; 線收縮率4.44%;吸水率0.20%.

坯體抗折強度的正交分析

將得到正交試驗的結果，以坯體的抗折強度為主要性能指標進行正交試驗分析。分析過程見表2：

表2 坯體抗折強度的正交分析

得到坯體的最優配方如下：粘土25 wt %，氧化鋁65 wt %，氧化鈦2 wt %，鎂質粘土為1 wt %，碳酸鈣和碳酸鋇的加入量也為1 wt %。

對優化配方樣品進行物相分析，如圖1所示：

圖1可以得到樣品在溫度為1330℃時，有莫來石的晶相和α-Al2O3的晶相，有明顯的衍射峰，說明α-Al2O3和莫來石的晶相發育良好，從而使制品出現較高的抗折強度。

繼續分析其結構，對1330℃燒結的樣品對進行SEM分析，如圖2所示：

圖1 不同溫度所得坯體的XRD圖譜

圖2◎ 1330℃所得坯體斷面的SEM照片

由圖2可知，1330℃的樣品有針狀莫來石和顆粒狀的氧化鋁，氧化鋁和莫來石分散均勻，這樣可以在一定程度上防止測量抗折強度時莫來石和氧化鋁抗折強度的差異引起應力集中而導致斷裂的現象。

成功制備出一種燒結溫度在1330℃，抗折強度在＞200 MPa、吸水率＜0.3%、線收縮率在3.66～4.99%之間的高鋁強化瓷；高鋁強化瓷中的氧化鋁，有一部分和原料中的氧化硅形成了針狀的莫來石相，結合SEM，XRD等測試，可得出當氧化鋁和莫來石都存在時，發育良好且按照特定的比例混合在一起時，所得制品的抗折強度等性能較優；優化的坯體配方為：氧化鈦的加入量為2 wt %，鎂質粘土為1 wt %，碳酸鈣和碳酸鋇的加入量也為1wt %。

（作者單位：景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院）