氧化釔對剛玉—莫來石陶瓷的顯微結構和性能影響

邱和林++梁章發++方仁德++楊華亮

摘 要：本文以粘土、氧化鋁粉及剛玉砂和硅酸鋯細粉等原料為基礎配方，以羧甲基纖維素鈉（CMC - Na）為添加劑，引入氧化釔，考察氧化釔對復合材料的性能影響。設計了五組試驗進行對比研究，氧化釔的含量依次為0、0.05%、0.1%、0.5%、1%，試驗結果表明：經1660℃燒成，吸水率先降低后增大，最后降低，體積密度先增大后降低，最后增大并趨于穩定，氧化釔的含量為0.5%時，達到較佳性能，體積密度為2.83 g/cm3，此時從燒結體的掃描電鏡可以看出，莫來石晶體發育較好，呈針狀交錯分布，并交織成網狀，強度最佳。

關健詞：針狀莫來石；氧化釔

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、抗氧化及高溫蠕變速率低等特點，使得其性能優越于純剛玉陶瓷和純莫來石陶瓷；一般剛玉莫來石質陶瓷的強度受其組成影響較大，但受其結構影響性能的較少，本文研究外加劑對晶體生長和形貌的影響，最終影響其高溫力學性能。

2 試 驗

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，細磨料全部過200目篩，加入一定量的添加劑，采用半干壓法壓制成型，成型壓力為30 MPa，成型添加劑分別為2.5%的CMC - Na，在試驗中分別添加0.05%、0.5%和1%的氧化釔（試樣編號分別為1#、2#、3#），并用空白樣進行對比（試樣編號為0#），試樣尺寸（mm）為： 50 × 10 × 5。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1660℃保溫6 h 燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2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。

3 結果與討論

3.1 試樣的燒結狀況

從圖1可知，氧化釔的引入促進了陶瓷的燒結，吸水率由8.14%降低到7.81%，體積密度由2.71 g/cm3升高至2.73 g/cm3，隨著加入量的增加，當加入量為0.5%時，吸水率迅速下降，為6.14%，體積密度顯著升高，為2.83 g/cm3，這說明氧化釔不僅僅促進燒結，對燒結體的結構影響較大，加入量進一步提高，燒結體的吸水率略有降低，但不是很明顯，趨于穩定。

3.2 氧化釔對燒結體的結構影響

我們知道，材料的性能取決于材料的組成和結構，包括晶體大小、氣孔大小及分布、玻璃相多少及分布狀況等對陶瓷的性能影響較大，但最為重要的影響因素是其顯微結構及形貌，因此本文就晶體生長及其形貌對性能的影響進行研究。

從上表可以看出，0#配方和1#配方的物相結構基本相當，從燒結性能可以看出，吸水率稍有降低，這可能是氧化釔促進燒結作用的結果，1#可以看出，莫來石的含量增大顯著，這是因為氧化釔在燒結過程中具有促進莫來石生長的作用，在莫來石晶核剛形成時，在高溫和氧化釔的作用下，一次莫來石晶核迅速長大，與此同時加速二次莫來石的形成。2#和3#兩個樣品的物相可知，物相的含量也基本相當，并結合燒結性能可知，2#配方的燒結體體積密度已經趨于穩定，說明在氧化釔的作用下，2#配方已經達到了燒結性能。

雖然物相的含量基本相當，但是其晶體形貌生長情況不同，所帶來的的陶瓷的性能也不盡相同。

從SEM照片可以看出，0#和1#結構進行對比發現，1#配方的莫來石晶體生長的較粗，這是由于微量氧化釔的引入，在高溫作用下，促進了二次莫來石的生長發育，晶體最大約為10 μm，但是表面的玻璃相將部分小晶體所包裹，沒有明顯的晶界，隨著氧化釔含量的提高，玻璃相較少，這是由于氧化釔在高溫時，爭奪硅酸鋯中分解出來的二氧化硅，與鋁粉快速發生反應，形成莫來石晶核，并促進形成二次莫來石的晶體，莫來石晶體為針狀莫來石晶體[1]，如圖2中的2#所示，隨著氧化釔的進一步增加，針狀晶體生長為柱狀晶體，并且部分被玻璃相所包裹，這是由于氧化釔在高溫下所給予的能量促進了晶體橫向生產，但部分晶體被玻璃相所浸潤，沒有明顯的晶界，晶界能顯著降低，這對性能不利。

3.3不同粘結劑配方對燒結體的性能影響

從圖3可以看出，三個試驗的抗彎強度分別為20.1 MPa、20.5 MPa、25.7 MPa和23.2 MPa，與前面的微觀結構分析一致，2#配方的晶體生長與形貌最佳，陶瓷的高溫力學性能越好。

4 結論

（1） 氧化釔的引入促進了陶瓷的燒結，燒結性能有所提高；

（2） 氧化釔的引入促進二次莫來石的形成及生長，形成針狀莫來石結構，高溫力學性能最佳，為25.7 MPa；

（3） 過量的氧化釔促使針狀莫來石轉化成柱狀莫來石，高溫力學性能下降。

參考文獻

[1] 張旭東，等. 細小針狀莫來石的合成 [J]. 山東輕工業學院學報， 1991， 5（2）：31-36.endprint