滑石電子瓷力學性能優化研究

賀亦文 夏 清 方豪杰 王雪倩 劉建平

(1 湖南省美程陶瓷科技有限公司 湖南 婁底 417600)(2 長沙理工大學材料科學與工程學院 長沙 410114)

前言

以滑石為主要原料的滑石瓷具有優良的絕緣性能，其介電常數低，介質損耗角正切值低，比體積電阻率高，并具有中等力學強度，是電子、信息、計算機、通訊等高技術領域的關鍵材料，在當前先進陶瓷材料研究領域中具有相當大的應用前景[1]。但滑石瓷的燒結范圍比較窄，一般只有20 ℃左右，這就給瓷坯的燒結帶來限制[2]，導致滑石瓷力學強度不夠高而影響滑石瓷的產品質量。筆者以滑石電子瓷力學性能優化研究為目標，調整滑石、輔助料、助熔劑、增強劑的用量，進行多項研究試驗，以期獲得較優力學性能的滑石電子瓷。

1 試驗部分

本研究以熟滑石、生滑石為主要原料，輔以鉀長石、高嶺土，配以少量的碳酸鋇、氧化鋅、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鋁作為燒結助劑，并使用聚乙烯醇作為成形粘結劑，設計了9組[3～4]滑石瓷試樣的配方，同時將美程陶瓷科技公司生產的配方與之作以對比，制備滑石瓷試樣，試樣坯料配方如表1所示。

表1 滑石瓷試樣坯料化學組成(質量%)Tab.1 Chemical composition of talc ceramic samples (wt%)

試驗工藝過程包括：原料處理、配料、濕法球磨、干燥、實驗室造粒；將制備好的造粒粉在企業進行干壓成形(壓制強度為60 MPa)及常壓燒成、性能檢測、顯微結構分析。其中采用吸紅實驗來判斷滑石瓷試樣的燒結程度；用DPZ0X型密度計測定實驗密度；用EP2003抗彎試驗儀測試抗彎強度；用日本D/Max2200PCX射線衍射儀進行滑石瓷瓷相組成分析，用JEOL -JSM-6490LV型電子顯微鏡分析試樣顯微結構。首先將10個坯料配方的成形試樣在常壓下分別燒成1 276 ℃、1 296 ℃、1 324 ℃、1 344 ℃的4個溫度，篩選出力學強度較高的配方。然后將篩選出的配方加上美程的配方M進行重復實驗，在1 302 ℃，1 317 ℃，1 332 ℃、1 351 ℃的4個溫度下燒成，對試樣的力學性能及顯微結構進行測定，以獲得抗彎強度高且燒結性能好的滑石質瓷的配方。

2 結果及討論

2.1 長石對滑石瓷燒結及性能的影響

試驗分別測得各配方在相應溫度下試樣的抗彎強度(表中均以“σ”表示)、燒結情況如見表2。

由表2可知，配方中含K2O、Na2O，則滑石瓷試樣在較低的燒成溫度下燒結，而在較高的燒成溫度下過燒，如D2，D1～D7等配方，配方中不含K2O、Na2O，則滑石瓷試樣在較低的燒成溫度下未燒結而在較高的燒成溫度才燒結，如M、M’，等配方，并且各個配方試樣燒結程度都隨著燒成溫度的升高而增強。同時，配方D1、M、M’，試樣的最高抗彎強度出現在1 344 ℃燒成時，配方D2、D3試樣的最高抗彎強度出現在1 324 ℃燒成時， D4試樣的抗彎強度在以上4個燒成溫度下都較低；配方D5、D6、D7試樣的抗彎強度的高值均出現在1 276 ℃燒成時，而且D7試樣在1 292 ℃、1 324 ℃燒成時抗彎強度較高，即D7配方1 276 ℃燒成的試樣強度較高并在后續高些的溫度下仍然強度穩定，所以D7配方燒結范圍寬；D6配方抗彎強度較高、燒結范圍也較寬，但1 292 ℃燒成試樣的抗彎強度降低得較多。

表2 試樣性能及燒結情況Tab.2 Performance and sintering of samples

選出抗彎強度較高的1 344 ℃的D1(154.7 MPa)、1 324 ℃的D6(136.9 MPa)、1 324 ℃的D3(151.5 MPa)、1 276 ℃的D7(154.9 MPa)、1 344 ℃的M(159.4 MPa)5個試樣及強度較低的1 276 ℃時的D4、M試樣進行XRD衍射分析，結果如圖1所示。

圖1 試樣的XRD衍射圖Fig.1 X-ray of samples

由圖1可知，這些試樣坯料的化學組成有些不同，但燒成后瓷相的主晶相均為MgSiO3，即斜頑火輝石，這可說明配方中由添加的碳酸鋇、氧化鋅、氧化鋯、硅酸鋯、氧化鋁等引入的BaO、ZnO、ZrO2、AlO3等氧化物并未在滑石瓷中生成新的晶相。相比M配方，D系列配方均較大幅降低了滑石瓷的燒結溫度(其中D6、D7配方燒結溫度降低了50 ℃)。主要原因是D系列配方不同比例地添加了鉀長石(引入K2O、Na2O)。鉀長石在燒成過程中作為一種助熔劑可較多大幅度地降低燒成溫度，使滑石瓷燒成過程中更早地產生液相，還拓寬了燒結溫度范圍；熔融狀態的鉀長石冷卻后以玻璃體填充在瓷坯中的斜頑火輝石晶粒之間，促進坯體致密化，在一定程度上提高力學強度以及瓷坯的光澤度，鉀長石對增加滑石瓷燒成范圍的作用[5]也非常大，少量的鉀長石加入能將燒成區間增加至50 ℃以上(如D6、D7配方)。

2.2 增強劑對滑石瓷性能及顯微結構的影響

將抗彎強度較高的D1、D3、D6、D7及M配方再分別制備坯料、造粒、成形(所有工藝同第一輪試驗)，在1 302 ℃、1 317 ℃、1 332 ℃、1 351 ℃溫度下燒成，考慮到節能的需要，1 351 ℃溫度下只燒成了M配方，分別測得各配方在相應溫度下試樣的抗彎強度、燒結情況(如表3所示)。

由表3可知，在1 302 ℃燒成時，D1、D3、D6、D7試樣已全部燒結，但D1，D3試樣強度不穩定，且最高強度也偏低，D6試樣強度較為穩定，強度為106.57 MPa，D7試樣強度穩定且高達136.70 MPa，力學性能較為優良，由D7試樣的SEM圖(見圖2a)可見，1 302 ℃的試樣晶粒結合緊密、均勻、尺寸為5～12 μm；1 317 ℃燒成時，D系列全部燒結，其中D1、D3、D6配方試樣抗彎強度仍較低，D7試樣抗彎強度雖稍有下降，但仍然較其他配方的高，1 317 ℃的D7試樣之晶粒尺寸均勻性則有所下降，為2～12 μm、晶界棱角也不很明顯(見圖2b)；1 332 ℃溫度下燒成，D7配方試樣抗彎強度達到114.21 MPa，比D1、D3、D6配方試樣的抗彎強度都高出較多，在1 332 ℃時D7試樣晶粒的晶界棱角也更更加不明顯、并伴有氣孔出現(見圖2c)，呈現過燒的狀態。因而可以判斷，1 302 ℃為D7的最佳燒成溫度；而M配方試樣在1 302 ℃燒成時只是部分燒結，在1 332 ℃才開始燒結(表2也可佐證此結果)，其抗彎強度達到117 MPa，1 351 ℃燒成時試樣抗彎強度降低為107.21 MPa。由試樣SEM圖2d可見，晶粒尺寸為5～12 μm、大小較為均一，未見氣孔、晶粒結合較為緊密，試樣完全燒結。

表3 試樣性能及燒結情況Tab.3 Performance and sintering of samples

a)1 302 ℃燒成的D7 b)1 317 ℃燒成的D7 c)1 332 ℃燒成的D7 d)1 351 ℃燒成的M圖2 試樣的SEMFig.2 SEM of samples

對于滑石瓷試樣的力學強度而言，D7在D系列配方中優勢明顯，也超過M配方，抗彎強度達到10 MPa以上，在試驗過程中控制工藝相同，因而影響試樣抗彎強度的原因更多是試樣的配方。比較D1、D3、D6、D7配方，D7配方含有一定量的碳酸鋇，碳酸鋇[6]在起到助熔作用的同時也有效地增加了滑石瓷的力學強度，所以D7強度高于D系列其他配方滑石瓷；與M配方相比，D7配方中添加了少量的工業氧化鋁，少量氧化鋁可增大液相的高溫粘度[5～6]，使玻璃相強度有所提高，在高溫下與白硅石發生反應生成硅線石可有效地提高瓷坯強度[7]；另一方面未參與反應的氧化鋁均勻分散在瓷坯中起到彌散增韌的效果，也能在一定程度上增加瓷坯的力學強度，但不會增加瓷坯的燒成溫度，這是D7抗彎強度高于M配方滑石瓷的原因；配方中也減少了生滑石的比例引入了少量的鉀長石，一方面是由于生滑石會導致瓷坯的線收縮率增加，另一方面也能使鉀長石高溫下熔融后作為填充劑填充在晶粒中使坯體致密度增加，可能也對滑石電子瓷強度有部分影響。

3 結論

1)相比企業的M配方，D系列配方均較大幅降低了滑石電子瓷的燒結溫度，其中D6、D7燒結溫度降低50 ℃，D6、D7配方也大幅拓寬了滑石電子瓷的燒結溫度范圍，將燒結溫度范圍拓寬至50 ℃。

2)D7配方的最佳燒結為1 302 ℃，抗彎強度達到了133.7 MPa，比M配方的抗彎強度(1 332 ℃時117.49 MPa)提高了16%。

3)D7配方比M配方降低了滑石電子瓷的燒結溫度，拓寬了燒結溫度范圍，可降低廢品率、節約能源與成本，在抗彎強度上也有了較為明顯的提升，但D7配方實驗的其他性能是否符合電子瓷的要求還需要進一步的研究。