稀土CeO₂對(duì)氧化鎂陶瓷燒結(jié)性能和抗熱震性能的影響

鄭博　 趙星滔　狄玉麗

摘? 要：采用輕質(zhì)氧化鎂粉末為原料，稀土CeO2為添加劑，聚乙烯醇為粘結(jié)劑，常壓燒結(jié)法制備氧化鎂陶瓷。研究陶瓷燒結(jié)性能與抗熱震性能的變化，在確定了氧化鎂陶瓷的最佳燒結(jié)條件后，添加不同含量的稀土CeO2，制備氧化鎂陶瓷，陶瓷的抗熱震性能得到較大程度提升。結(jié)果表明：氧化鎂陶瓷的最佳燒結(jié)條件是壓制力為242MPa，燒結(jié)溫度為1580℃，CeO2的添加量為8 wt%，氧化鎂陶瓷此時(shí)的抗熱震性能最好。

關(guān)鍵詞：氧化鎂陶瓷? 稀土CeO2? 燒結(jié)性能? 抗熱震性能

中圖分類號(hào)：TQ174 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（b）-0001-03

MgO的實(shí)際密度為3.58g/cm3，熔點(diǎn)為2800℃，是氯化鈉型結(jié)構(gòu)，屬于立方晶系。MgO陶瓷可以作為金屬及其合金的理想冶煉容器。然而氧化鎂陶瓷的熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致燒結(jié)性能太差，抗熱震性能也較差。通過改變燒結(jié)工藝和加入添加劑，氧化鎂陶瓷的性能有所改變[1-2]。稀土氧化物作為添加劑，具有穩(wěn)定性高、高溫?fù)]發(fā)性較弱、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性有較大程度的提升，且也可降低燒結(jié)溫度而降低生產(chǎn)成本，從而廣泛應(yīng)用于陶瓷材料的生產(chǎn)中。另外稀土氧化物主要分布在陶瓷的晶界處，從而阻礙晶粒長大細(xì)化晶粒，有利于致密結(jié)構(gòu)的形成[3-4]。將La2O3加入Al2O3陶瓷中，明顯抑制Al2O3陶瓷晶粒的長大，而且陶瓷結(jié)合較緊密。將Y2O3加入ZrO2、MgO陶瓷中，陶瓷的燒結(jié)性能與抗熱震性能性能得到較大程度提升[5-7]。張騁以混合添加劑加入到氧化鎂陶瓷中，研究氧化鎂陶瓷的抗熱震性能變化，并且陶瓷的其他各項(xiàng)性能也得到了提升[8]。該文通過加入稀土CeO2到氧化鎂粉末中，期望制得的氧化鎂陶瓷在燒結(jié)性能與抗熱震性能方面能得到較大程度的提升。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1 氧化鎂陶瓷的制備

實(shí)驗(yàn)采用輕質(zhì)氧化鎂粉末（AR，≥98.5%）為主要原料，稀土CeO2（≥99.99%）為添加劑，聚乙烯醇（≥98.0%）為粘結(jié)劑，其中CeO2的含量分別為0wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、4wt%、8wt%、10wt%，記為1#～7#共7組。將稱量好的原料放入球磨機(jī)中均勻混合，然后采用粉末壓片機(jī)壓制試樣，成型壓力為242MPa。用馬弗爐燒結(jié)制備氧化鎂陶瓷，分別采用1530℃、1580℃和1640℃為燒結(jié)溫度，溫度到達(dá)1000℃時(shí)，保溫1h以除去試樣中的聚乙烯醇，升到預(yù)定溫度時(shí)保溫3h燒結(jié)氧化鎂陶瓷，然后隨爐冷卻。

1.2 性能檢測(cè)及表征

采用精密陶瓷孔隙率體積密度測(cè)試儀對(duì)試樣進(jìn)行密度、孔隙率的測(cè)試;用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣體積，計(jì)算試樣的體積收縮率的變化;手動(dòng)洛氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的洛氏硬度;采用GB/T 3298-2008來檢測(cè)氧化鎂陶瓷的抗熱震性能;X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，晶粒生長情況;掃描電鏡觀察試樣微觀形貌。以上性能檢測(cè)可以表征氧化鎂陶瓷的燒結(jié)性能與抗熱震性能。

2? 結(jié)果與討論

2.1 CeO2對(duì)氧化鎂陶瓷性能的影響

2.1.1 燒結(jié)性能

圖1是試樣密度、孔隙率和體積收縮率的測(cè)試結(jié)果。由圖1分析得知：加入稀土CeO2后，試樣的密度增大，孔隙率降低，說明CeO2可以提高氧化鎂陶瓷的致密化程度，得到高致密結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)氧化鎂陶瓷燒結(jié);從試樣體積收縮率的檢測(cè)結(jié)果得知，CeO2的加入可以提高氧化鎂陶瓷的體積收縮率，使試樣燒結(jié)得更加緊密，CeO2的含量到達(dá)4 wt%后，增大趨勢(shì)變得平緩甚至下降。

2.1.2 抗熱震性能

采用GB/T 3298-2008[9]來檢測(cè)試樣的抗熱震性能同，結(jié)果見圖2。從燒結(jié)后試樣的抗熱震性能測(cè)試結(jié)果得知：加入CeO2后的試樣抗熱震性能比未加入的試樣有較大的提高。由于CeO2分布于氧化鎂晶界處，阻礙燒結(jié)過程中方鎂石晶粒的異常長大，細(xì)化晶粒尺寸，可以有效提高陶瓷的力學(xué)性能。從而促進(jìn)了MgO陶瓷的燒結(jié)，晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度增加。燒結(jié)過程中CeO2與氧化鎂生成了固溶體，增大了陶瓷的強(qiáng)度和硬度，于是陶瓷的抗熱震性能也得到提高。然而，當(dāng)CeO2的含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陶瓷的性能降低。CeO2的含量在2wt%之前，氧化鎂陶瓷抗熱震性能呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，CeO2含量為8 wt%時(shí)，抗熱震次數(shù)高達(dá)20次之多，再多抗熱震次數(shù)下降，表明8wt%為稀土最佳添加量。

2.1.3 XRD結(jié)果

圖3 是含有不同CeO2含量的MgO陶瓷的XRD圖譜。

由圖所知：1#（空白組）、3#（1wt%CeO2）、5#（4wt%CeO2）、6#（8wt%CeO2）試樣的主晶相都是方鎂石，而且特征峰明顯。隨著CeO2含量得增加，方鎂石特征峰越來越尖銳，其他晶面的衍射峰強(qiáng)度有所降低，說明CeO2可以增強(qiáng)陶瓷結(jié)晶程度。由于CeO2的添加量過少的原因，CeO2的特征峰在XRD圖譜中不明顯。CeO2在陶瓷燒結(jié)過程會(huì)與MgO形成固溶體，存在于晶格間隙，使得晶界處結(jié)合更緊密。由此可知，CeO2加入有促進(jìn)方鎂石燒結(jié)的作用，使MgO陶瓷燒結(jié)更加完全。

2.1.4 SEM結(jié)果

圖4是2#和6#試樣燒結(jié)后的電鏡圖，分析得知：（a）中氧化鎂陶瓷晶粒生長較好，但是晶粒間存在縫隙，晶粒層層分布且結(jié)合緊密，晶粒表面比較光滑，沒有過多的細(xì)小顆粒，說明CeO2可以促進(jìn)氧化鎂陶瓷燒結(jié);（b）中晶粒不明顯，由于CeO2含量過多，固溶到晶界處形成固溶體，使晶粒結(jié)合較為緊密，而且無縫隙存在，氧化鎂陶瓷燒結(jié)較為完全，燒結(jié)出來的試樣表觀形貌較好。

3? 結(jié)語

（1）壓制壓強(qiáng)為242MPa，燒結(jié)溫度為1580℃時(shí)，氧化鎂陶瓷具有較好的性能，陶瓷的致密化程度高，孔隙率較低，晶粒正常長大且飽滿。

（2）在氧化鎂陶瓷最佳燒結(jié)條件下，加入不同含量的CeO2后，MgO陶瓷的性能有較大程度的提高。當(dāng)CeO2的含量為8wt%時(shí)，氧化鎂陶瓷的抗熱震性能最好，高達(dá)20次。

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