稀土LaF₃對氧化鋁陶瓷材料結構和性能的影響研究

蔣強強　何龍　狄玉麗

摘? 要：該文以微米級輕質氧化鋁為原料，稀土LaF3為添加劑，聚乙烯醇為粘結劑，采用常壓燒結法制備氧化鋁陶瓷。確定了陶瓷坯體最佳壓制壓強為100MPa、最佳燒結溫度為1600℃。對氧化鋁陶瓷進行了收縮率、孔隙率、硬度、抗熱震性能、XRD和SEM的分析和表征，最終得到添加0.1wt%LaF3的氧化鋁陶瓷抗熱震性能較好。

關鍵詞：氧化鋁陶瓷? 稀土LaF3? 燒結性能? 抗熱震性能

中圖分類號：TQ174 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0058-03

氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產量最大的陶瓷材料[1]。陶瓷主要分為現代工藝陶瓷和傳統陶瓷，目前被廣泛應用于生活中。而氧化鋁陶瓷最大的優點是耐高溫、耐腐蝕，是最具有代表性的工程陶瓷材料[2]。由于具有這些優良性能常被用于航天、工業、衛生、生物醫療等對材料相對要求較高的場合。氧化鋁陶瓷性能主要取決于它的微小結構，陶瓷燒結是一個復雜的物理和化學變化過程[3]。經過我們用壓片機壓制成型時粉末間由壓制前的點接觸變為燒結成品后的面接觸，顆粒中心不斷團聚成一個整體出現體積收縮現象[4]。燒結過程就是由聯通氣孔變成密閉氣孔的過程，最后形成一個整體[5]。燒結溫度不僅會對氧化鋁陶瓷顯微結構產生影響，同時制樣時的壓制時間、助燒劑的不同比例[2-3]、稀土的添加量同樣也會對陶瓷結構產生不同程度的影響。研究這些條件對氧化鋁陶瓷使用范圍得到進一步提高，使其更好地應用于不同場合[6]。

1? 實驗

1.1 氧化鋁陶瓷的制備

實驗以輕質氧化鋁粉末（AR，≥98.5%）為主要原料，聚乙烯醇（≥98.0%）為粘接劑，以及一定量的助燒劑滑石粉、碳酸鈣、二氧化硅，壓制三批空白對照組試樣并分別在1500℃、1550℃和1600℃下燒結。每一批分別為3個助燒劑含量（1%、2%、5%）和3個壓制時間（2min、4min、6min）。以探索最佳燒結溫度、助燒劑含量和壓制時間。

然后再加入不同含量氟化鑭稀土（0.1wt%、0.2wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、5wt%）。按照比例取樣，然后球磨混合后采用干壓成型法壓制成型，壓制為100MPa，壓制時間為2min，助燒劑為1%。使用馬弗爐進行燒結，在100℃以下預熱馬弗爐30min并排除水蒸氣;在1000℃保溫1h以排除粘接劑聚乙烯醇;在1600℃時保溫2h，最后降溫就可以得到產物。

1.2 性能檢測及表征

采用精密陶瓷孔隙率體積密度測試儀對試樣進行密度、孔隙率的測試;用游標卡尺測量試樣體積，計算試樣的體積收縮率;使用洛氏硬度計測試試樣的洛氏硬度;采用YB/T 376.3-2004水急冷——裂紋判定法[7]來檢測氧化鎂陶瓷的抗熱震性能;X射線衍射儀對試樣進行物相分析;掃描電子顯微鏡觀察試樣微觀形貌。

2? 結果與討論

2.1 空白組探索

空白組試樣探究了不同燒結溫度、不同燒結助劑含量及不同壓制時間對氧化鋁的抗熱震性能的影響，數據結果如表1所示。

在1550℃和1600℃時抗熱震較好，壓制試樣時存在內部應力和驟冷時的熱應力使陶瓷破裂，但是1600℃下的樣品裂痕較1500℃小，表明相對于1550℃的試樣，1600℃有更好的性能。在助燒劑含量為1%和2%時抗熱震較好。在壓制2min和6min時抗熱震較好。綜合比較，助燒劑為1%和壓制2min時能夠得到抗熱震性較好的產品。

2.2 LaF3對氧化鋁陶瓷性能影響

2.2.1 不同添加量對燒結性能影響

如圖1所示，隨稀土加入量增加總體收縮率又減低的趨勢，可能是由于稀土的引入，稀土氟化鑭主要在晶界處，起到凈化晶界雜質，細化晶粒的作用，所以氧化鋁粉末流動性增加，燒結得更加緊密所以孔隙率也降低，可以得出結論引入氟化鑭可以使陶瓷致密性更好，孔隙率降低，特別是密閉孔體積顯著下降，表明燒結情況很好。

2.2.2 不同添加量對硬度和抗熱震性能影響

如圖2所示，隨稀土添加量增加，洛氏硬度先上升一點然后下降，稀土添加量增加反而使洛氏硬度呈現一定程度下降，稀土添加量為0.1%時硬度最高，后面繼續添加氟化等預算編制方法。鑭，使晶粒間雜質凈化，更有利于燒結，隨著保溫這段時間，晶粒與晶粒間又相互再次連接形成一個更大的晶粒，然后相互連接呈現板塊狀，相比于細小的晶粒，力學性能下降，從而使試樣抗擊表面變形能力下降。所以圖2中出現硬度值下降的曲線。隨稀土添加量增加，抗熱震次數先上升然后顯著下降，然后繼續上升，總體都較于不加稀土組抗熱震性得到提高，添加的稀土大部分分布于晶界處，起到細化晶粒，使氧化鋁細小顆粒連接更加緊密，都較于空白組性能提高，使式樣的抗熱震性得到提高。

2.2.3 不同添加量對物相影響

將3組衍射圖像與標準PDF卡片對比，由圖3得到的主要產物均為氧化鋁，同時發現在5%氟化鑭添加量是有少量的鈣、鎂和二氧化硅檢測出。應該是加入的少量氟化鑭和助燒劑在晶界處，并沒有與氧化鋁粉末相反應，所以最后燒結成型的試樣主要相還是氧化鋁，同時還有少量的添加物被檢測出。

2.2.4 不同添加量對表面形貌

如圖4所示，a為添加0.1 wt%LaF3，b為添加了5wt% LaF3的氧化鋁陶瓷在5000倍（30μm）掃描電鏡下的微觀形貌。可以看出低稀土添加量氧化鋁陶瓷晶粒與晶粒之間較緊密[8]，圖d形成較多液相，晶粒與晶粒間已經相互連接，呈現板塊，根據前面數據分析，添加過量氟化鑭（5%）不僅不會提高產品質量，反而出現性能下降現象，故應該注意稀土的添加量，添加過多反而不好。綜合上述SEM圖片最好的添加量為0.1%添加組。

3? 結論

（1）壓制時間為2min，助燒劑為1%，燒結溫度為1600℃時氧化鋁陶瓷具有較好抗熱震性能。

（2）在最佳燒結條件下，加入不同含量的LaF3后，氧化鋁陶瓷的性能有較大程度的提高。根據氧化鋁陶瓷的綜合性能，添加0.1wt%LaF3時，陶瓷性能最佳。

參考文獻

[1] 張小鋒，于國強，姜林文.氧化鋁陶瓷的應用[J].佛山陶瓷，2010，20（2）：38-43.

[2] 楊尚余，邢學剛，張嬌嬌，等.稀土氧化物摻雜對氧化鋁陶瓷力學性能和摩擦磨損性能的影響[J].功能材料，2018，49（6）：6190-6195，6200.

[3] 紀宏超，張雪靜，裴未遲，等.陶瓷3D打印技術及材料研究進展[J].材料工程，2018，46（7）：19-28.

[4] 王旭東.ZrO2添加量和燒結溫度對氧化鋁陶瓷性能的影響[J].鑄造技術，2018，39（8）：1799-1803.

[5] 張玉軍，張偉儒.結構陶瓷材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005：1-8.

[6] 王昕，單妍，于薛剛，等.納米ZrO2-微米Al2O3復合陶瓷中“內晶型”結構的形成與機理[J].硅酸鹽學報，2003，31（12）：1149.

[7] YB/T 376.3-2004，水急冷—裂紋判定法[S].

[8] 曾峰，方海亮，王連軍，等.氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的性能研究[J].廣東化工，2018，45（4）：11-12，21.