硅酸鋯含量對硅基陶瓷型芯材料性能的影響研究

武振飛 ，喬經緯 ，龐佳敏 ，陸麗芳

（1.江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221；2.江蘇久吾高科技有限公司，南京211808）

前言

硅基陶瓷型芯是以非晶態石英玻璃為基體材料，含有部分方石英相的陶瓷型芯，在成形喂料中通常加入一些礦化劑，以改善陶瓷型芯的工藝性能和控制其材料性能等。最常用的礦化劑有氧化鋁、氧化鎂、稀土氧化物、納米復合礦化劑和硅酸鋯等等。其中硅酸鋯由于熱膨脹系數小、耐溫度急變性好且能改善型芯的強度、脫芯性能等，是氧化硅基陶瓷型芯的重要礦化劑。礦化劑的種類、含量以及粒度分布等都會對陶瓷型芯的性能產生很大影響。本實驗以熔融石英為基體材料，研究硅酸鋯含量的變化對陶瓷型芯材料性能的影響規律。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗采用D50為15.06μm熔融石英為基體材料，以D50為1.5μm的硅酸鋯為礦化劑，化學組成如表1所示，以石蠟等為粘結劑，在體積比一定的情況下分別加入10%、20%、25%、30%的硅酸鋯制備陶瓷型芯，工藝流程如圖1所示。

表1 材料的化學組成（%）

圖1 硅基陶瓷型芯的生產工藝流程

1.2 性能測試

陶瓷型芯試樣的物相分析采用X射線粉末衍射儀，以CuKα輻射樣品粉末測定。其他性能測試如表2所示。

2 實驗結果與討論

2.1 硅酸鋯含量對線收縮率的影響

在相同的燒結溫度下，隨著硅酸鋯添加量的增多，陶瓷型芯的線收縮率逐漸增大，如圖2所示。產生這種現象的原因是硅酸鋯對于陶瓷型芯的基體材料熔融石英具有燒結助劑的作用，能夠降低熔融石英的燒結溫度，并且硅酸鋯粒度較細，比表面能大，燒結驅動力也大，促進熔融石英燒結的作用也大。而陶瓷型芯的致密化是通過石英玻璃的粘性流動實現的，在高溫燒結過程中，石英玻璃發生粘性流動，使得顆粒與顆粒之間相互接觸，產生收縮，所以隨著硅酸鋯含量的增多，陶瓷型芯的線收縮率增大。

圖2 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯線收縮率

圖3 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯孔隙率與體積密度關系

2.2 硅酸鋯含量對孔隙率與體積密度的影響

圖3為不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯孔隙率與體積密度關系圖，隨著硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的孔隙率降低，體積密度增大。在陶瓷型芯材料的顆粒堆積中，以大粒徑的熔融石英顆粒為骨架，小粒徑的硅酸鋯顆粒填充在其形成的空隙中。隨著硅酸鋯含量的增加，細小顆粒的比例逐漸增多，對大顆粒的熔融石英形成空隙的填充效果提高，使得材料的孔隙率下降，陶瓷型芯變得更加致密，體積密度逐漸提高。

2.3 硅酸鋯含量對方石英析出的影響

陶瓷型芯在1200℃燒結時，會發生反玻璃化［1］，有一些方石英晶體形成。在陶瓷型芯中含有一定數量的方石英可以使其在高溫下有足夠的強度和抗變形能力［2］，而方石英在冷卻時會有2.8%的體積收縮［3］，這就使陶瓷型芯在降溫過程中由于相變體積效應在內部產生內應力，降低陶瓷型芯的室溫抗彎強度［4］。圖4為不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯樣品在1200℃下的XRD衍射圖，可以看出陶瓷型芯在1200℃時已經有部分方石英相的析出，但含量比較低，且隨著硅酸鋯含量的增多，方石英的衍射峰強度基本相同。故硅酸鋯含量的變化對方石英的析晶效果影響不明顯。

圖4 不同硅酸鋯含量的型芯樣品XRD

圖5 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯室溫抗彎強度和熱變形量

2.4 硅酸鋯含量對室溫抗彎強度和熱變形量的影響

硅酸鋯含量對陶瓷型芯室溫抗彎強度和熱變形量的影響如圖5所示。在燒結溫度為1200℃時，隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的抗彎強度逐漸增大。陶瓷型芯的燒結過程是一個強度逐漸建立和方石英析出的雙層過程，在燒結過程中，熔融石英顆粒堆積形成骨架結構，細顆粒的硅酸鋯填充到其空隙中，顆粒與顆粒的結合更加致密，使得強度提高，而方石英的析出對陶瓷型芯的強度起破壞作用，由于方石英含量較低，對強度的影響還遠遠低于燒結溫度對強度的提高，所以隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的抗彎強度增大。

在1550℃保溫30min，陶瓷型芯的熱變形量隨著硅酸鋯含量的增加而減小。陶瓷型芯的熱變形主要是由于石英玻璃的粘性流動引起的，硅酸鋯的承溫能力和高溫穩定性較高，作為礦化劑加入到熔融石英中能夠有效地抑制高溫下玻璃相的粘滯流動，起到高溫穩定相的作用。由于晶體比玻璃體的蠕變小幾個數量級，所以方石英的產生也可以減小陶瓷型芯的高溫蠕變，不同含量硅酸鋯的陶瓷型芯方石英的析出量較少且基本相同，所以陶瓷型芯的熱變形量主要由硅酸鋯的含量決定，隨著硅酸鋯含量的增加，阻礙玻璃相粘滯流動的效果逐漸增強，使得陶瓷型芯的熱變形量下降。

3 結論

3.1 燒結溫度相同時，陶瓷型芯的線收縮率隨硅酸鋯含量增多而增大。

3.2 隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的孔隙率降低，體積密度提高。

3.3 在1200℃燒結過程中有部分方石英相析出，硅酸鋯含量的變化對方石英的析出影響效果不明顯。

3.4 陶瓷型芯的室溫抗彎強度隨硅酸鋯含量的增加而增大，熱變形量隨硅酸鋯含量的增加而減小。