一種新型超高溫高強剛玉－莫來石質(zhì)陶瓷輥棒可用于瓷質(zhì)薄板燒結(jié)

1前言

隨著陶瓷資源過度消耗、能源緊缺、環(huán)境污染、國內(nèi)外消費者生活水平的不斷提高等，建陶企業(yè)的生產(chǎn)成本和環(huán)保壓力日益增大，開發(fā)美觀、耐用、環(huán)境友好型的瓷質(zhì)薄板產(chǎn)品，已成為陶瓷產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。陶瓷薄型化、減量化生產(chǎn)是建筑陶瓷行業(yè)實現(xiàn)節(jié)約資源、節(jié)能減排的重要途徑，也是建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。然而，受當前陶瓷輥棒的使用溫度和高溫性能的限制，瓷質(zhì)薄板產(chǎn)品在輥道窯爐內(nèi)燒結(jié)時極易出現(xiàn)“棒印、波浪紋\"等缺陷。采用\"細棒密排\"技術是避免缺陷產(chǎn)生的有效方法，但對陶瓷輥棒的高溫承載強度和抗熱震性等性能提出更加苛刻的要求。

此外，用于高性能薄陶瓷基板燒結(jié)用的輥道窯爐也因國產(chǎn)陶瓷輥棒的使用溫度和高溫性能的限制，使得高性能薄陶瓷基板長期依賴進口。研發(fā)出能滿足薄陶瓷基板燒結(jié)要求的陶瓷輥棒，對于電子封裝陶瓷等特種陶瓷的技術迭代和升級，提升我國整體工業(yè)化的水平以及確保中國在全球關鍵戰(zhàn)略材料領域的領先地位具有重大意義，一直是陶瓷輥棒新材料行業(yè)研究的熱點問題之一。

本研究采用真空擠出成型生產(chǎn)工藝，通過研究燒結(jié)助劑超細硅酸鋯的添加量，期望得到一種高溫承載強度和抗熱震性好的新型剛玉-莫來石質(zhì)陶瓷輥棒，以滿足輥道窯瓷質(zhì)薄板燒結(jié)對陶瓷輥棒的使用要求。

2實驗

2.1配方設計

本研究設計了4個剛玉-莫來石質(zhì)陶瓷輥棒配方，使用的陶瓷輥棒配方組成見表1。使用龍巖高嶺土股份有限公司提供的高嶺土。考慮到氧化鈉對于白剛玉來說是一種有害雜質(zhì)，它與氧化鋁在熔融狀態(tài)下生成體密低、熔點低和硬度低的 Na₂O?11Al₂O₃（β-Al₂O₃）. 且生成量隨氧化鈉含量的增加而增大，如果氧化鋁原料中含有0.6% 以上的氧化鈉，就會生產(chǎn)出 β_β-Al2O3 超百分之十以上的剛玉。因此，采用東莞旭寶研磨材料有限公司提供的低鈉白剛玉砂，氧化鋁使用廣州市新稀冶金化工有限公司提供的氧化鋁微粉。使用宜興市古王科技有限公司生產(chǎn)的超細硅酸鋯作為燒結(jié)助劑。配方采用粘結(jié)劑為成都科宜高分子科技有限公司生產(chǎn)的熱固性酚醛樹脂。

2.2陶瓷輥棒的制備

配料后以 300r/min 的速度分別球磨4個剛玉－莫來石質(zhì)陶瓷輥棒配方，并分別使用壓濾機壓濾漿料得到陶瓷泥餅；然后以 1.2% 質(zhì)量比例將熱固性酚醛樹脂加入各配方的陶瓷泥餅中制備成泥段，并反復真空練泥4次，每次練泥時間間隔12小時；通過擠出機真空擠出成型得到陶瓷輥棒坯體，干燥控制陶瓷輥棒坯體其水分為

1.0% ；使用井式天然氣窯爐吊裝燒結(jié)陶瓷輥棒壞體，升溫速率為 3min/q ，最高燒結(jié)溫度為 1600^°C 且保溫2h后降溫，冷卻后即可得到陶瓷輥棒試樣。

2.3性能表征

采用掃描電子顯微鏡（采用捷克TESCANMIRALMS型）表征陶瓷輥棒微觀結(jié)構(gòu)和形貌。采用X射線衍射儀（日本理學RigakuUitmaIV型）進行測試物相組成，采用佛山市三聯(lián)科儀機電設備有限公司的KY-20000智能數(shù)顯抗折儀以 0.5mm/min 的加載速度測試其常溫抗折強度。采用廣州精控測試儀器公司的GD-1-DZ高溫陶瓷抗折試驗機以 0.1mm/min 的加載速度測試陶瓷輥棒試樣1300^°C 時的高溫抗折強度。采用水淬法評估 1280^°C 時陶瓷輥棒的熱穩(wěn)定性。

3結(jié)果與討論

圖1顯示了添加0wt % 5wt %.10 wt % 和 15wt% ZrSiO₄ 的陶瓷在 1600^°C 燒結(jié) 2h 后的SEM圖像。可以看出，配方中添加了 ZrSiO₄ 的莫來石晶體各向異性生長明顯。當 ZrSiO₄ 添加量為 10wt% 時，莫來石晶體的各向異性生長最為優(yōu)異。 ZrSiO₄ 添加量過少，導致晶體生長不完全。而且添加太多 ZrSiO₄ 以及 ZrSiO₄ 分解產(chǎn)生的過多液相導致晶體粗化，抑制了莫來石晶體的各向異性生長。從晶體生長情況可以推斷，當 ZrSiO₄ 含量為 10wt% 時，樣品的力學性能最為優(yōu)異。

表2采用參考強度比（RIR）法估算了不同 ZrSiO₄ 含量配方陶瓷輥棒樣品中莫來石 ?Zr0₂ 和非晶相（玻璃相、被破壞的相、未轉(zhuǎn)化的相等）的相對含量。加入 ZrSiO₄ 后，出現(xiàn)了斜鋯石 （ZrO₂） 相，未添加 ZrSiO₄ 時，莫來石的相對含量高達 40% 。隨著 ZrSiO₄ 添加量的增加，莫來石相對含量持續(xù)增加，說明莫來石的結(jié)晶度提高。這種現(xiàn)象歸因于 ZrSiO₄ 分解形成大量富硅液相，其中 Al³⁺ 和 Si⁴⁺ 的擴散速率增強，導致莫來石晶體的各向異性生長。而當 ZrSiO₄ 含量為 15wt% 時，莫來石 ，Zr0₂ 和非晶相的相對含量分別為29wt % 4.7wt % 和 36wt% 。這說明了ZrSiO₄ 在高溫下分解為 α∝-SiO₂ 和 ZrO₂ 。

為了進一步表征不同 ZrSiO₄ 含量配方陶瓷輥棒樣品的性能，測試了陶瓷輥棒樣品的常溫抗折強度、高溫抗折強度和熱穩(wěn)定性。從圖2可以看出，陶瓷輥棒的抗折強度隨著 ZrSiO₄ 含量的增加先增大后減小，這是因為陶瓷輥棒的力學性能與莫來石晶體的生長密切相關。如圖1所示，未添加 ZrSiO₄ 時，莫來石晶體的各向異性生長不明顯。陶瓷輥棒樣品中存在較多的空隙，導致陶瓷輥棒的抗折強度較小，常溫抗折強度僅為 61.81MPa 高溫抗折強度僅為 48.78MPa 。當 ZrSiO₄ 含量達到10wt% 時，陶瓷輥棒表現(xiàn)出最高的常溫抗折強度，為66.52MPa ，最高的高溫抗折強度，為 63.84MPa ，這是由于發(fā)育良好的長條狀莫來石晶體形成的互鎖結(jié)構(gòu)。隨著 ZrSiO₄ 含量的繼續(xù)增加，莫來石晶體呈現(xiàn)出更粗大的顯微結(jié)構(gòu)，這會損害陶瓷輥棒的力學性能

可以看出，未添加 ZrSiO₄ 時，陶瓷輥棒的熱穩(wěn)定性較差，采用水淬法評估時第1次淋水就開裂，這是因為沒有 ZrO₂ 的相變增韌。隨著 ZrSiO₄ 含量的增加，陶瓷輥棒的熱穩(wěn)定性較好，采用水淬法評估時第2次淋水開裂，

這是因為莫來石晶體的各向異性生長不明顯，樣品中存在較多的空隙。而當 ZrSiO₄"含量為 15wt% 時，第1次淋水開裂，這是由于 ZrSiO₄"分解產(chǎn)生的液相有效促進了燒結(jié)致密化過程，減少了燒結(jié)過程中氣孔的形成，導致陶瓷輥棒的熱穩(wěn)定性變差。

4結(jié)論

本研究采用真空擠出成型生產(chǎn)工藝，通過研究燒結(jié)助劑超細硅酸鋯的添加量，得到了一種高溫承載強度和抗熱震性好的新型剛玉-莫來石質(zhì)陶瓷輥棒，可以滿足輥道窯瓷質(zhì)薄板燒結(jié)對陶瓷輥棒的使用要求。

參考文獻

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