浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析.docx

《浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析.docx（15页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、_浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析2007-12-03 11:24:04|分类：|举报|字号订阅浅谈添加剂在氧化铝陶瓷中的应用分析摘要：阐述了添加剂对A12O3陶瓷的性能影响的原理及机制,综述近年来A12O3陶瓷的添加剂应用研究现状。并详细论述了不同添加剂对A12O3晶粒异向生长及其性能的影响,分析了不同条件下A12O3晶粒的显微结构及其异向生长机理。最后对下一步的研究方向进行了展望。关键词：添加剂氧化铝陶瓷进展1，引言：在工业日益发展的今天氧化铝陶瓷具有高硬度、耐高温、耐磨、抗氧化、强度良好等特点,已广泛应用于机械、冶金、化工、医疗等各个领域,是应用最广泛的结构陶瓷.但因韧性差,强度有待提

2、高,而影响了它的使用寿命和更广泛的应用，然而由于Al2O3自身阳离子电荷多,半径小,离子键强的特点,导致其晶格能较大,扩散系数低,烧结温度高.一般纯氧化铝陶瓷的烧结温度在1700以上,这样高的烧结温度在工业上较难普遍实现,而且不利于降低成本;同时结构上也会存在较多的缺陷,对材料力学性能不利.为了促进氧化铝陶瓷致密化,降低烧结温度,一般在原料里引入添加剂，从而添加剂对其性能的改善也日见重要！.添加剂通过2种作用方式促进氧化铝陶瓷的烧结：1与氧化铝基体形成固溶体，通过增加氧化铝的晶格畸变，使扩散速率变大，从而促进烧结；2：添加剂本身或者添加剂与氧化铝基体之间形成液相。氧化铝陶瓷常见种类有：刚玉瓷，

3、高铝瓷，陶瓷刚玉磨料，氧化铝涂层，透明氧化铝陶瓷，多孔陶瓷等等.氧化铝瓷的常见晶型有a-Al2O3-Al2O3-Al2O3等添加剂的引入可使其晶型转变从而提高其化学物理性能。本文将从添加剂使氧化铝陶瓷晶型转变和烧结等方面的改变，进行阐述和分析。2为何添加剂对氧化铝陶瓷性能可以产生影响2.1几种常见的应用于氧化铝陶瓷中的添加剂典型的以固溶烧结方式促进氧化铝致密的添加剂为TiO2、MgO以及Y2O3等.其中促进烧结效果最明显的是TiO2,而MgO和Y2O3有不同的影响作用.MgO在降低烧结温度上没有TiO2的效果明显,但是它能细化氧化铝晶粒,在一定条件下使之完全致密化,达到理论密度，Y2O3对氧化

4、铝的烧结是有害的,但是它能有效改变氧化铝晶粒形貌,并且会在晶界中以钇铝石榴石的形态析出,对氧化铝陶瓷的高温力学性能有利.添加剂的选择应该考虑到可能的作用方式,如果是液相烧结,有必要对形成液相的低共熔点、液相的粘度、与氧化铝基体的润湿情况进行考察;如果是固溶烧结,那么有必要对添加剂离子半径、电价进行考虑.考虑到Nb与Al的原子半径和离子半径相差不大,而Nb5+与Al3+离子电价上相差较大,因而向氧化铝中引入Nb2O5后能使氧化铝晶格产生较大的畸变能,可能会对氧化铝陶瓷的烧结有较好的促进作用.单独添加MgO能抑制A12O3晶粒的异向生长，而大部分添加剂(如TiO2,SiO2,CaO等)则能诱导氧化

5、铝晶粒在特定方向上快速生长，形成板状或片状的晶粒；添加剂CaF2，La2O3，CeO2，Cr2O3，Na2O则诱导氧化铝晶粒异向生长，在晶界处形成板状或棒状化合物，起到了很好的自增韧效果以Nb2O5为添加剂,降低了氧化铝陶瓷的烧结温度,使氧化铝晶粒迅速长大.对烧结性能和显微结构分析表明,Nb2O5在氧化铝晶格中的固溶促进了氧化铝的烧结.烧结性能结果显示,掺杂1.0%Nb2O5的氧化铝样品在1500下获得最大致密度,不同添加剂含量的样品晶粒平均尺寸不一样,添加量为1.0%时为9m;为2.0%时为16m.力学性能测试结果显示,引入Nb2O5后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.以Nb2O5为

6、烧结助剂,通过无压烧结制备氧化铝陶瓷.研究了Nb2O5对氧化铝陶瓷的致密化和显微结构的影响.结果表明,少量的Nb2O5对氧化铝陶瓷的致密化具有明显的促进作用,当Nb2O5的添加量为1%时,可使氧化铝陶瓷在1500获得致密.显微结构上,Nb2O5对氧化铝的晶粒生长也具有显著的促进作用.Nb2O5对致密化和晶粒生长的促进作用主要是通过它在氧化铝晶粒中的固溶来实现的.力学性能测试表明:加入Nb2O5后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.把形成液相的MnO+TiO2复相添加剂加入到氧化铝中，把氧化铝陶瓷烧结到接近理论密度，即而很少有气孔被包裹到晶粒内去，绝大部分被排除掉，从而促进氧化铝的烧结。并

7、可以使氧化铝陶瓷在约.12500C下致密，相对密度达到98%以上，除此之外，典型的液相型添加剂还有CAS，MAS玻璃相。它们不仅对氧化铝陶瓷的烧结具有不同程度的促进作用，还对其显微结构产生极大的影响，可以促使氧化铝生成各向异性的晶粒，使之具有较大的长径比CuO+TiO2复相添加剂极大地促进了氧化铝的烧结，可以使烧结温度降低到1300O下。当CuO与TiO2质量比为1/2时，促进致密效果最好，使相对密度达到99%。液相烧结可以分为3个过程，即颗粒重排、溶解-沉淀孔等结合过程，液相量越高，促进烧结的效果越好，烧结温度越低。添加剂加入后使氧化铝晶粒出现一定程度的生长，晶粒形貌、尺寸趋向一致。通过烧结

8、动力学实验计算，得到掺杂CuO+TiO2的表观激活能为25.2千焦，氧化铝中的铝子的扩散过程控制了氧化铝陶瓷的烧结。以固溶烧结方式促进氧化铝致密的添加剂为TiO2、MgO以及Y2O3等.其中促进烧结效果最明显的是TiO2,而MgO和Y2O3有不同的影响作用.MgO在降低烧结温度上没有TiO2的效果明显,但是它能细化氧化铝晶粒,在一定条件下使之完全致密化,达到理论密度由于Y3+(r=0.093nm)离子与Al3+(r=0.0413nm)离子半径相差很大,因而Y2O3对氧化铝的烧结是有害的.但是它能有效改变氧化铝晶粒形貌,并且会在晶界中以钇铝石榴石的形态析出,对氧化铝陶瓷的高温力学性能有利添加剂的

9、选择应该考虑到可能的作用方式,如果是液相烧结,有必要对形成液相的低共熔点、液相的粘度、与氧化铝基体的润湿情况进行考察;如果是固溶烧结,那么有必要对添加剂离子半径行考虑.(1)有机添加剂显著地影响胶粒之间的相互作用，在溶胶中加入添加剂，溶胶的粘度增加，作为涂层用溶胶，其中的添加剂含量应不大于3%(wt)；(2)由于添加剂的包裹和隔离作用，与不加添加剂的涂层相比，涂层后多孔陶瓷载体的比表面积与孔径同时增加，满足了多孔陶瓷作为催化剂载体的要求；(3)分子量不同的添加剂对提高多孔陶瓷载体的比表面积的贡献不同，焙烧温度900时比表面积的效果最好；(4)当涂层焙烧温度高于900，载体的氧化铝涂层的比表面积

10、急剧减小，添加剂对提高载体比表面积的作用不大，故涂层的焙烧温度不应高于900。2.2添加剂对其影响添加剂抑制晶粒生长，促进烧结，促进陶瓷致密化，对氧化铝陶瓷晶型转变等方面均产生影响。下面就从烧结和晶型这两大方面进行阐述。2.2.1烧结2.2.1.1添加剂的引入改变点缺陷的浓度，从而改变氧化铝离子的扩散系数；2.2.1.2添加剂加入后在晶界附近富集，影响晶界的迁移速度，从而减少晶粒长大的干扰作用；提高界面能，直接提高致密化的动力；2.2.1.3添加剂可在晶界形成连续第二相，为原子扩散提供快速途径；第二相在晶界的钉扎作用，阻碍晶界迁移；以MgO为添加剂的高纯氧化铝陶瓷观察可知，紧密镶嵌在二晶粒边界

11、上的MgAl2O4颗粒当材料断裂时，一旦裂纹扩展碰到它就会被钉扎住，或者改变方向，从而可以控制裂纹的发展，以提高材料的强度。2.2.1.4添加剂诱导晶粒异向生长，在氧化铝烧结过程中，当有适量液相存在时，可能出现2种情况。一是微量液相在晶界的分布不连续，造成晶界上不同的液相传输，使晶粒生长在不同方向上有不同的速度；二是液相虽在晶界上连续分布，但受晶面能的影响，不同晶面有不同的润湿性，从而诱导晶粒异向生长。然而必须指出：在液相烧结过中，氧化铝晶粒只在受晶面反应速率控制而非液膜扩散控制的条件下才能发生异向生长。通过人为地加入一些添加剂，烧结过程中于晶界处产生液相，从而诱导晶粒异向生长。不同添加剂对氧

12、化铝晶粒生长产生不同的影响，晶粒异向生长提高了氧化铝陶瓷材料的断裂韧性。2.2.2氧化铝晶型氧化铝的晶型有很多，下面就几种主要晶型进行阐述：a-Al2O3晶体是一种结构紧密.离子键强度很高的晶体。俗称刚玉，属三方柱状晶体。晶体结构中氧离子形成六方最紧密堆积，铝离子则在6个氧离子围成的八面体中心，由于它具有熔点高，硬度大，耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种形态中最稳定的晶型，也是自然界中唯一存在的。用他做原料制备的氧化铝陶瓷材料是非常优异的。-Al2O3，实际上不是氧化铝的变体，而是一种含碱金属的铝酸盐，它是一种不稳定的化合物。加热时，会分解且温度取决于高温煅烧时的气氛和压力，在空气或氢气中

13、1200度开始分解。它有明显的离子导电能力和松弛极化现象，介电损耗大，电绝缘性能差。所以，在制造无线电陶瓷时不允许它存在。-Al2O3，是氧化铝的低温形态，其结构松弛，易于吸水，且能被酸碱溶解，性能不稳定，不适合于直接用来生产氧化铝陶瓷，故而添加适量的添加剂对它高温煅烧，使它转变为-三氧化二铝以提高氧化铝陶瓷性能，减少产品开裂。综合上诉可知：当烧结温度由低温向高温逐渐升高的过程中,氧化铝存在着不同的相变过程,最终转变为-Al2O3。由于相变属于重建型相变,存在着成核与长大的过程,这样,晶种弥散在相变体内部,不但能提高增加形核质点,促进二次形核的进行,而且能显著的降低形核势垒,减少了相变过程所需

14、要的能量,使氧化铝的相变在较低的能量状态下进行,限制了质点的迁移,从而减小了相变后颗粒尺寸。随着温度的升高,由于晶种的作用,在完成相变后形成的一次颗粒尺寸相对比较小,当温度快速升高到烧结温度时,细小的晶粒由于表面能比较高,烧结驱动力大,这样就能完成致密化过程,而且最终晶粒尺寸较小,粒度分布均匀;没有晶种的作用,在相变的过程中得到的一次颗粒比较粗大,烧结活性明显较低,在1400的条件下不能较快完成烧结过程,烧结体中存在着大量的连通气孔综合：添加剂通过2种作用方式促进氧化铝陶瓷的烧结1与氧化铝基体形成固溶体，通过增加氧化铝的晶格畸变，使扩散速率变大，从而促进烧结；2添加剂本身或者添加剂与氧化铝基体

15、之间形成液相液相在氧化铝烧结过程中，当有适量液相存在时，可能出现2种情况。一是微量液相在晶界的分布不连续，造成晶界上不同的液相传输，使晶粒生长在不同方向上有不同的速度；二是液相虽在晶界上连续分布，但受晶面能的影响，不同晶面有不同的润湿性，从而诱导晶粒异向生长。然而必须指出：在液相烧结过程中，氧化铝晶粒只在受晶面反应速率控制而非液膜扩散控制的条件下才能发生异向生长。通过人为地加入一些添加剂，能在Al2O3烧结过程中于晶界处产生液相，从而诱导晶粒异向生长。不同添加剂对氧化铝晶粒生长产生不同的影响，晶粒异向生长提高了氧化铝陶瓷材料的断裂韧性。晶种影响Al2O3显微结构从结晶学观点来看，Al2O3的相

16、变可以认为是一个形核和长大的过程，该过程是不可逆的晶格重构，所需能量大部分用来克服形核激活能，余下的能量用来克服晶粒长大激活能，促使晶粒长大。在成核过程中，引入的晶种可以作为晶核的引子，也可以在晶种粒子上产生外延成核和外延生长。晶种粒子还可以作为一种择优成核点，提供体系中的活性点，增加成核频率。因此，添加晶种后，相变温度显著降低是成核密度提高、成核势垒降低、成核频率及成核速度增加等综合作用的结果。从反应动力学观点来看，晶种的引入可降低相应的活化能，减少相转变的时间，实现低温烧结，并能加速材料的致密化。添加剂诱导晶粒异向生长氧化铝陶瓷具有硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、电绝缘、抗氧化、化学稳定性好

17、等许多优点,是应用最早、最广泛的工程结构陶瓷之一.然而由于其自身阳离子电荷多,半径小,离子键强的特点,导致其晶格能较大,扩散系数低,烧结温度高.一般纯氧化铝陶瓷的烧结温度在1700以上,这样高的烧结温度在工业上较难普遍实现,而且不利于降低成本;同时结构上也会存在较多的缺陷,对材料力学性能不利.为了促进氧化铝陶瓷致密化,降低烧结温度,一般在原料里引入添加剂或晶种或者改善工艺如加压或利用等离子、微波烧结.其中向氧化铝基体中引入添加剂的做法最为普遍.按作用方式的不同,能有效改变氧化铝晶粒形貌,并且会在晶界中以钇铝石榴石的形态析出,对氧化铝陶瓷的高温力学性能有利添加剂的选择应该考虑到可能的作用方式,如

18、果是液相烧结,有必要对形成液相的低共熔点、液相的粘度、与氧化铝基体的润湿情况进行考察;如果是固溶烧结,那么有必要对添加剂离子半径、电价进行考虑.以Nb2O5为添加剂,降低了氧化铝陶瓷的烧结温度,使氧化铝晶粒迅速长大.Nb2O5在氧化铝晶格中的固溶促进了氧化铝的烧结.掺杂1.0%Nb2O5的氧化铝样品在1500下获得最大致密度.,不同添加剂含量的样品晶粒平均尺寸不一样,添加量为1.0%时为9m;为2.0%时为16m.力学性能测试结果显示,引入Nb2O5后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.以Nb2O5为烧结助剂,通过无压烧结制备氧化铝陶瓷.研究了Nb2O5对氧化铝陶瓷的致密化和显微结构的影

19、响.结果表明,少量的Nb2O5对氧化铝陶瓷的致密化具有明显的促进作用,当Nb2O5的添加量为1%时,可使氧化铝陶瓷在1500获得致密.显微结构上,Nb2O5对氧化铝的晶粒生长也具有显著的促进作用.Nb2O5对致密化和晶粒生长的促进作用主要是通过它在氧化铝晶粒中的固溶来实现的，加入Nb2O5后能够在不影响力学性能的前提下降低烧结温度.2.3生产工艺应用简介2.3.1氧化铝陶瓷的生产工艺氧化铝陶瓷的生产工艺，由于产品性质不同，配方不同，形状大小不同，成型方法不同，其生产工艺也不尽相同，大致要经过下面几个工序：原料煅烧，磨细，配方，加黏结剂，成型，素烧，修坯，烧结，表面处理对氧化铝陶瓷生产来说磨细和

20、烧结最为重要：1.磨细是因为细度对陶瓷性能有很大影响2.烧结这一工序对氧化铝陶瓷的密度及结构有很大作用，从而也影响到产品性能。一般认为获得微晶结构有利于氧化铝陶瓷性能的提高，而添加剂与氧化铝基体形成固溶体,通过增加氧化铝的晶格畸变,使扩散速率变大,从而促进烧结.典型的以固溶烧结方式促进氧化铝致密的添加剂为TiO2、Y2O3等.其中促进烧结效果最明显的是TiO2,Y2O3有不同的影响作用.在降低烧结温度上没TiO2的效果明显,但是它能细化。烧结助剂对材料致密化的促进作用通常来源于以下2个方面的原因,即烧结助剂与基体形成固溶或者是形成晶间液相.Nb2O5-Al2O3,液相出现的最低温度大约为1420,而引入后在Nb2O51400就获得了较高的致密度.2.3.2应用氧化铝陶瓷的用途十分广泛，如本文前面所述，其含量不同，性能不同，用途也不同。其硬度高，耐磨损、耐高温，良好的化学稳定性和电绝缘性以及价格低廉，已成为应用最广泛的工程陶瓷材料。在取代金属和合金作为耐高温、抗腐蚀、耐磨损的机械零部件方面取得了显著效果。3结束语本文针对添加剂对氧化铝陶瓷烧结和影响晶型转变等方面进行简单叙述。通过充分利用添加剂来改变陶瓷性能为氧化铝陶瓷性能在各方面的应用制造了条件。浅谈了各种添加剂在氧化铝陶瓷中的应用，为氧化铝陶瓷进一步发展提供了发展平台。15_