薄睿恬++姜宏偉++鄭友進

摘 要：通過添加一定比例的MgO作為燒結助劑，研究常壓條件下MgO對Al2O3晶粒燒結過程的變化情況。本研究工作主要通過兩組MgO比例及關鍵溫度點的時間控制實驗，來考察Al2O3晶粒的燒結狀況。對樣品進行了體積密度、硬度、表面形貌和晶體結構測試。實驗表明，0.8wt% MgO助劑和關鍵點溫度的保持，使MgO助劑燒結生成物MgAlO4在起到釘扎作用的同時，可以填充Al2O3晶粒形成的空隙，MgAlO4小晶粒的釘扎和填充，共同成為Al2O3陶瓷的增強機制。

關健詞：Al2O3陶瓷；晶?？刂?；空隙填充

1 引言

氧化鋁陶瓷是一種極為常用的陶瓷材料，具有優(yōu)良的絕緣、透光、耐高溫、耐磨、耐腐蝕性能。一般采用放電等離子燒結、熱壓燒結、超高壓燒結、微波燒結、等離子束熔融法等方法制備，通過這些各有特點的方法，得到了具有各方面優(yōu)異性能的氧化鋁陶瓷，滿足了人們對氧化鋁性能的需求。隨著技術的發(fā)展，氧化鋁陶瓷作為重要的功能陶瓷材料，微觀結構的樣式?jīng)Q定著制品性能的實現(xiàn)程度，因此，通過不同的工藝手段改變其結構樣式，是新型氧化鋁陶瓷材料的重要研究內容。

Elena A. T等[1]采用5 μm的MgO-Al2O3基復合微粉，并添加了納米級Ce、Zr粉，通過3種溫升曲線，研究了MgO-Al2O3的燒結工藝。張志林等[2]以MgO-Al2O3為燒結助劑，對微晶Al2O3陶瓷進行了研究。劉兵等[3]研究了加入Y2O3和Pr6O11混合納米粉，對Al2O3陶瓷微觀組織結構的影響。夏清等[4]研究了MgO-CaO-Si2O等助劑對95瓷的燒結影響。單萌等[5]研究了添加微量MgO助劑的亞微米晶氧化鋁。孫陽等[6]研究了MgO燒結助劑對氧化鋁多孔陶瓷結構和性能的影響?？梢钥闯?，對于氧化鋁陶瓷提升性能的研究，基本是通過添加助劑提高液相動力、通過助劑或中間相提供障礙阻止氧化鋁晶粒長大這樣的技術途徑來實現(xiàn)的。不同的實驗設備、不同的溫度曲線、不同的組方，形成了不同的工藝，達到了不同的實際效果。

常壓燒結法制備Al2O3陶瓷，對設備要求不高、操作比較簡單、成本低。本項研究采用一臺常壓燒結設備進行的Al2O3陶瓷實驗，該設備為美國產高溫燒結爐，具有控溫精確、溫度均勻性好的優(yōu)點。Al2O3陶瓷晶格離子鍵較強，結構比較穩(wěn)定，燒結溫度較高，且存在高溫下晶粒異常長大現(xiàn)象，高溫條件下有利于對包括中間相在內的陶瓷晶相結構的調整和控制。本研究工作試圖通過高溫條件下的助劑添加對Al2O3陶瓷的晶粒加以選擇或控制，形成新的工藝手段。

2 實驗

為考察MgO助劑的作用和保溫時間對晶相穩(wěn)定的影響，優(yōu)化設計了兩組對比性較強的實驗，實驗參數(shù)主要是將助劑比例、α-Al2O3轉相溫度和燒結溫度綜合起來考慮而設置的。實驗a確定為大比例MgO助劑、短燒結時間實驗，具體參數(shù)如下：MgO比例：0.8%；1280℃保溫時間：360 min；燒結溫度：1750℃；燒結時間：180 min。實驗b確定為小比例MgO助劑、長燒結時間實驗，具體參數(shù)如下：MgO比例：0.08%；1220℃保溫時間：150 min；燒結溫度：1750℃；燒結時間：600 min。實驗a所獲得的Al2O3制品編號為樣品a。實驗b所獲得的Al2O3制品編號為樣品b。 Al2O3和MgO均為市售分析純試劑。分析天平稱重后放入行星攪拌機內混料9 h。使用25 MPa壓力模壓成型，壓片直徑50 mm，厚5 mm。燒結爐為美國ANT公司產高溫燒結爐，石墨發(fā)熱體，燒結爐填充Ar氣作為保護氣體。

用阿基米德排水法測試制品體積密度和氣孔率。HVS-50型數(shù)顯維氏硬度儀測試硬度。日本理學D/Max-2200 XRD測試晶體結構。日立公司s-4800掃描電鏡測試表面形貌。

3 結果與分析

3.1 Al2O3樣品的密度和硬度

表1為兩組實驗樣品的體積密度、顯氣孔率和硬度的測試數(shù)據(jù)，測試為十次測量的平均值，結果顯示兩組實驗的樣品的顯氣孔率和硬度的指標差別較大。MgO助劑比例大、α-Al2O3轉相溫度保溫時間長、燒結時間短的樣品a硬度遠高于MgO助劑比例小、α-Al2O3轉相溫度保溫時間短、燒結時間長的樣品b；樣品a的顯氣孔率也比較??；兩樣品的體積密度差別不大，樣品a的密度稍小于樣品b。具體數(shù)據(jù)如下表所示。

3.2 Al2O3樣品的掃描電鏡分析

Al2O3樣品的掃描電鏡圖片如圖1所示，掃描電鏡的工作電壓是8kV。圖1的a1，a2，a3為樣品a的不同放大倍率圖片，b1，b2，b3為樣品b的不同放大倍率圖片。對比圖a1和圖b1，可以看出樣品a 的致密性要好于樣品b，樣品a的晶粒不夠均勻，但晶粒間結合緊密，樣品b則有較大的空洞存在，樣品a的晶粒明顯小于樣品b；從進一步放大的圖a2和圖b2可以看出，樣品a的晶粒直徑在2 ～ 5 μm之間，以4 ～ 5 μm的晶粒為主體，2 ～ 3 μm比例要低許多，而樣品b的粒徑則在6 ～ 8μm之間，且樣品b的晶粒大小和形狀都比較接近；比較分辨率5 μm的圖a3和圖b3，兩個樣品的晶粒結合的都是很緊密的，只是由于樣品b的晶粒過于粗大導致晶粒之間接觸面相對變小，形成晶粒間較大的空隙；但是從圖a2和圖b2來看，樣品b致密度好于樣品a。樣品a的晶粒中1 μm的小晶粒應該是MgAlO4，而在樣品b的晶粒中幾乎看不到這樣1 μm的小晶粒。

樣品a的晶粒比較小，這與實驗設置的大比例MgO助劑有關，加之燒結溫度保溫時間180 min也比較短，所以Al2O3晶粒沒有進一步的長大；實驗a所設置的1280℃保溫360 min的環(huán)節(jié)，是用于α-Al2O3的晶相整理時間。

樣品b的晶粒緊湊、均勻，晶粒生長變大的狀況明顯，這與實驗預期結果是一致的。樣品b的參數(shù)特征是低比例MgO助劑，這個比例的助劑對Al2O3晶粒生長的阻礙作用較小，會有利于Al2O3晶粒的變大；另一個主要的參數(shù)是1750℃燒結時間足夠長，達到600 min，這也為Al2O3晶粒的長大創(chuàng)造充分的動力和時間。

3.3 Al2O3樣品的X射線衍射分析

采用日本理學的D/Max-2200 XRD分析系統(tǒng)對樣品進行晶體結構分析，CuKα源，波長0.15418 nm，測試為10.000 ～ 80.000全角范圍，步長0.020。圖2為兩個樣品的XRD曲線。

所測兩個樣品圖譜與Al2O3 PDF（No.74-0323）標準卡比較，主晶相基本一致，沒有出現(xiàn)MgO的峰譜。從圖2（a）樣品a的XRD圖譜可以看出MgAlO4的32.74°、36.26°、45.64°、64.48°弱衍射峰，說明在高溫下添加的MgO助劑已經(jīng)轉化成MgAlO4結構；對比兩個樣品的XRD譜線，可以看出樣品b的XRD譜的MgAlO4峰與樣品a的XRD圖譜有所不同，樣品b的XRD譜中MgAlO4的32.74°、45.64°、64.48°衍射峰強度明顯低于樣品a，其中的36.26°衍射峰已經(jīng)消失。比較兩個樣品的Al2O3的主晶相，兩者也有所不同，樣品b的衍射峰強度接近2倍于樣品a； 并且所有的主晶相衍射峰都相對于樣品a而言有明顯變窄。

分析XRD圖譜，基于添加比例的原因，可以解釋圖2（a）和（b）兩個譜中MgAlO4峰的有無；但對于α-Al2O3轉相溫度保持的長短，并沒有對Al2O3主晶相狀況產生太大改變，只是35.26°衍射峰強度有明顯變化。

3.4 綜合分析

綜合Al2O3樣品的密度和硬度、SEM和XRD圖譜，可以看出MgO助劑比例大、α-Al2O3轉相溫度保溫時間長、燒結時間短的樣品a的高硬度，是因為1 μm左右的MgAlO4小晶粒存在的結果，這些晶粒，一方面阻礙了Al2O3晶粒的進一步長大；一方面填充在Al2O3晶粒形成的空隙中形成受力分散中心，兩種形式共同起到增強作用。

MgO助劑比例小、α-Al2O3轉相溫度保溫時間短、燒結時間長的樣品b硬度低，是因為長時間高溫燒結和低比例添加MgO助劑的低阻礙作用共同促進了Al2O3晶粒的進一步長大。盡管樣品b由于晶粒長大而使得晶粒間更加緊密，但大晶粒使得晶粒間的接觸面積變小，且晶粒間間隙變大，盡管密度高于樣品a，但導致硬度下降。樣品b的晶粒飽滿、結合緊密、有較好的顆粒均勻性，如能象樣品a那樣有適當數(shù)量和尺寸的小晶粒填補大晶粒之間孔隙，會有效提升此種結構Al2O3的性能。

4 結論

在常壓燒結下，通過適當添加MgO作為燒結助劑，并通過對Al2O3燒結起重要作用的轉相溫度和燒結溫度及時間的控制，可以實現(xiàn)對Al2O3晶粒的有效控制和孔隙改善。在添加0.8wt%MgO助劑、1280℃保溫360 min、1750℃燒結180 min條件下，MgO助劑在高溫反應下生成的MgAlO4小晶粒起到釘扎作用，可以阻止Al2O3晶粒長大；同時MgAlO4晶粒填充于Al2O3晶粒間隙間，可以有效分散傳導至空隙間的力，避免了孔隙的劣化效應。MgO做為燒結助劑的高溫燒結產物MgAlO4，其形成的1 μm級小晶粒，起到了釘扎和孔隙改善作用。

參考文獻

[1] Elena A T， Anastasia A K， Kirill V V， et al. Dilatometric Sintering Study of Fine-grained Ceramics from Ultradispersed Admixture Composed of Ce 0.09Zr 0.91 O2 and MgO–Al2O3[J]. Journal of the European Ceramic Society， 2013， 33（12）： 2327-2333.

[2] 張志林， 郭偉明， 伍尚華， 等. Al2O3陶瓷非等溫燒結[J]. 人工晶體學報， 2014，43（7）：1788-1792.

[3] 劉兵， 彭超群， 王日初， 等. 燒結助劑Y2O3和Pr6O11對Al2O3陶瓷相對密度和熱導率的影響[J]. 中國有色金屬學報， 2012，22（8）：2302-2310.

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[5] 單萌， 周國紅， 王士維. SPS制備亞微米晶氧化鋁陶瓷[J]. 無機材料學報， 2008，23（5）：1001-1004.

[6] 孫陽， 徐鯤濠， 孫加林等. MgO燒結助劑對氧化鋁多孔陶瓷結構和性能的影響[J]. 硅酸鹽學報， 2015，43（9）：1255-1260.