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燒結(jié)助劑是如何讓氧化鋁陶瓷”降溫”的？
2023-10-06
燒結(jié)是通過(guò)加熱使原料粉體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)、經(jīng)過(guò)物質(zhì)遷移使粉末體產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程。普通陶瓷粉體之所以難于燒結(jié)，原因就在于其晶格能較高、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散需要較高的活性，即燒結(jié)激活能大，因此需要較高的溫度。
常用燒結(jié)助劑體系
在實(shí)際生產(chǎn)中，單一助劑往往不能同時(shí)滿足其燒結(jié)和機(jī)電性能的要求，一般情況下單一助劑在降低燒結(jié)溫度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致陶瓷性能的降低，因此，采用多種不同助劑組成的復(fù)合添加劑要比單獨(dú)使用其中一種助劑更為常見(jiàn)。
1、CaO-MgO-SiO2體系
采用這一體系的燒結(jié)助劑，可在1500～1550℃左右合成氧化鋁基陶瓷。MgO對(duì)氧化鋁陶瓷的細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)起了重要作用，MgO在燒結(jié)中能維持CaO/SiO2比，即維持燒結(jié)系統(tǒng)中的液相量，并有尖晶石、鎂鋁硅酸鹽、鋁硅酸鹽、鋁酸鹽等多種第二相晶體生成，對(duì)晶界移動(dòng)具有釘扎作用，它們地抑制了晶粒的生長(zhǎng)；同時(shí)引入了少量的La2O3、Sm2O3等稀土氧化物，使Al2O3陶瓷的燒結(jié)溫度下降大約30℃，其表面顯微結(jié)構(gòu)也有所改善，這主要是由于La2O3和Sm2O3為網(wǎng)絡(luò)變性離子，能夠分解熔體網(wǎng)絡(luò)而促進(jìn)燒結(jié)。
2、MnO2-TiO2-MgO體系
通過(guò)加入MnO2-TiO2-MgO復(fù)相添加劑，在1300℃下可以獲得相對(duì)密度為95%的氧化鋁陶瓷，其中MnO2可以促進(jìn)燒結(jié)，而MgO起到了顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑的作用，在MnO2和MgO含量的情況下，加入少量TiO2可使氧化鋁燒結(jié)獲得良好的力學(xué)性能，再加入過(guò)量的TiO2反而使強(qiáng)度降低。
3、CuO-TiO2體系
這一體系助劑具有良好的低溫?zé)Y(jié)特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入CuO-TiO2時(shí)，添加劑系統(tǒng)以形成液相的形式促進(jìn)氧化鋁燒結(jié)，添加劑含量的增加有助于氧化鋁陶瓷的致密化，當(dāng)CuO∶TiO2為1∶2、添加量為2wt%的時(shí)侯，在1300℃就能在無(wú)壓燒結(jié)情況下達(dá)到99%的相對(duì)密度，并通過(guò)燒結(jié)動(dòng)力學(xué)研究得到氧化鋁樣品的激活能為25.2kJ/mol，表明可能是鋁離子和氧離子的擴(kuò)散過(guò)程控制了氧化鋁陶瓷的燒結(jié)。在此添加劑中繼續(xù)摻入SiO2后，在1400℃時(shí)生成了各向異性晶粒，可以改善其斷裂韌性。
總結(jié)
近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)燒結(jié)助劑的研究已經(jīng)做了大量工作，在滿足低溫?zé)葾l2O3陶瓷的同時(shí)，也在不斷提高其機(jī)械性能和電性能。但目前的研究成果大部分主要還集中在實(shí)驗(yàn)室階段，與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系得不夠緊密。降低復(fù)合燒結(jié)助劑的制造成本，不同成形工藝對(duì)燒結(jié)助劑的不同要求，低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑氧化物之間的作用機(jī)理，燒結(jié)助劑在不同溫度段的基礎(chǔ)理論等方面還有待進(jìn)一步研究。
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