稀土LaF3对氧化铝陶瓷材料结构和性能的影响研究

蒋强强　何龙　狄玉丽

摘  要：该文以微米级轻质氧化铝为原料，稀土LaF3为添加剂，聚乙烯醇为粘结剂，采用常压烧结法制备氧化铝陶瓷。确定了陶瓷坯体最佳压制压强为100MPa、最佳烧结温度为1600℃。对氧化铝陶瓷进行了收缩率、孔隙率、硬度、抗热震性能、XRD和SEM的分析和表征，最终得到添加0.1wt%LaF3的氧化铝陶瓷抗热震性能较好。

关键词：氧化铝陶瓷  稀土LaF3  烧结性能  抗热震性能

中图分类号：TQ174    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（c）-0058-03

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料[1]。陶瓷主要分为现代工艺陶瓷和传统陶瓷，目前被广泛应用于生活中。而氧化铝陶瓷最大的优点是耐高温、耐腐蚀，是最具有代表性的工程陶瓷材料[2]。由于具有这些优良性能常被用于航天、工业、卫生、生物医疗等对材料相对要求较高的场合。氧化铝陶瓷性能主要取决于它的微小结构，陶瓷烧结是一个复杂的物理和化学变化过程[3]。经过我们用压片机压制成型时粉末间由压制前的点接触变为烧结成品后的面接触，颗粒中心不断团聚成一个整体出现体积收缩现象[4]。烧结过程就是由联通气孔变成密闭气孔的过程，最后形成一个整体[5]。烧结温度不仅会对氧化铝陶瓷显微结构产生影响，同时制样时的压制时间、助烧剂的不同比例[2-3]、稀土的添加量同样也会对陶瓷结构产生不同程度的影响。研究这些条件对氧化铝陶瓷使用范围得到进一步提高，使其更好地应用于不同场合[6]。

1  实验

1.1 氧化铝陶瓷的制备

实验以轻质氧化铝粉末（AR，≥98.5%）为主要原料，聚乙烯醇（≥98.0%）为粘接剂，以及一定量的助烧剂滑石粉、碳酸钙、二氧化硅，压制三批空白对照组试样并分别在1500℃、1550℃和1600℃下烧结。每一批分别为3个助烧剂含量（1%、2%、5%）和3个压制时间（2min、4min、6min）。以探索最佳烧结温度、助烧剂含量和压制时间。

然后再加入不同含量氟化镧稀土（0.1wt%、0.2wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、5wt%）。按照比例取样，然后球磨混合后采用干压成型法压制成型，压制为100MPa，压制时间为2min，助烧剂为1%。使用马弗炉进行烧结，在100℃以下预热马弗炉30min并排除水蒸气;在1000℃保温1h以排除粘接剂聚乙烯醇;在1600℃时保温2h，最后降温就可以得到产物。

1.2 性能检测及表征

采用精密陶瓷孔隙率体积密度测试仪对试样进行密度、孔隙率的测试;用游标卡尺测量试样体积，计算试样的体积收缩率;使用洛氏硬度计测试试样的洛氏硬度;采用YB/T 376.3-2004水急冷——裂纹判定法[7]来检测氧化镁陶瓷的抗热震性能;X射线衍射仪对试样进行物相分析;扫描电子显微镜观察试样微观形貌。

2  结果与讨论

2.1 空白组探索

空白组试样探究了不同烧结温度、不同烧结助剂含量及不同压制时间对氧化铝的抗热震性能的影响，数据结果如表1所示。

在1550℃和1600℃时抗热震较好，压制试样时存在内部应力和骤冷时的热应力使陶瓷破裂，但是1600℃下的样品裂痕较1500℃小，表明相对于1550℃的试样，1600℃有更好的性能。在助烧剂含量为1%和2%时抗热震较好。在压制2min和6min时抗热震较好。综合比较，助烧剂为1%和压制2min时能够得到抗热震性较好的产品。

2.2 LaF3对氧化铝陶瓷性能影响

2.2.1 不同添加量对烧结性能影响

如图1所示，随稀土加入量增加总体收缩率又减低的趋势，可能是由于稀土的引入，稀土氟化镧主要在晶界处，起到净化晶界杂质，细化晶粒的作用，所以氧化铝粉末流动性增加，烧结得更加紧密所以孔隙率也降低，可以得出结论引入氟化镧可以使陶瓷致密性更好，孔隙率降低，特别是密闭孔体积显著下降，表明烧结情况很好。

2.2.2 不同添加量对硬度和抗热震性能影响

如图2所示，随稀土添加量增加，洛氏硬度先上升一点然后下降，稀土添加量增加反而使洛氏硬度呈现一定程度下降，稀土添加量为0.1%时硬度最高，后面继续添加氟化等预算编制方法。镧，使晶粒间杂质净化，更有利于烧结，随着保温这段时间，晶粒与晶粒间又相互再次连接形成一个更大的晶粒，然后相互连接呈现板块状，相比于细小的晶粒，力学性能下降，从而使试样抗击表面变形能力下降。所以图2中出现硬度值下降的曲线。随稀土添加量增加，抗热震次数先上升然后显著下降，然后继续上升，总体都较于不加稀土组抗热震性得到提高，添加的稀土大部分分布于晶界处，起到细化晶粒，使氧化铝细小颗粒连接更加紧密，都较于空白组性能提高，使式样的抗热震性得到提高。

2.2.3 不同添加量对物相影响

将3组衍射图像与标准PDF卡片对比，由图3得到的主要产物均为氧化铝，同时发现在5%氟化镧添加量是有少量的钙、镁和二氧化硅检测出。应该是加入的少量氟化镧和助烧剂在晶界处，并没有与氧化铝粉末相反应，所以最后烧结成型的试样主要相还是氧化铝，同时还有少量的添加物被检测出。

2.2.4 不同添加量对表面形貌

如图4所示，a为添加0.1 wt%LaF3，b为添加了5wt% LaF3的氧化铝陶瓷在5000倍（30μm）扫描电镜下的微观形貌。可以看出低稀土添加量氧化铝陶瓷晶粒与晶粒之间较紧密[8]，图d形成较多液相，晶粒与晶粒间已经相互连接，呈现板块，根据前面数据分析，添加过量氟化镧（5%）不仅不会提高产品质量，反而出现性能下降现象，故应该注意稀土的添加量，添加过多反而不好。综合上述SEM图片最好的添加量为0.1%添加组。

3  结论

（1）压制时间为2min，助烧剂为1%，烧结温度为1600℃时氧化铝陶瓷具有较好抗热震性能。

（2）在最佳烧结条件下，加入不同含量的LaF3后，氧化铝陶瓷的性能有较大程度的提高。根据氧化铝陶瓷的综合性能，添加0.1wt%LaF3时，陶瓷性能最佳。

参考文献

[1] 张小锋，于国强，姜林文.氧化铝陶瓷的应用[J].佛山陶瓷，2010，20（2）：38-43.

[2] 杨尚余，邢学刚，张娇娇，等.稀土氧化物掺杂对氧化铝陶瓷力学性能和摩擦磨损性能的影响[J].功能材料，2018，49（6）：6190-6195，6200.

[3] 纪宏超，张雪静，裴未迟，等.陶瓷3D打印技术及材料研究进展[J].材料工程，2018，46（7）：19-28.

[4] 王旭东.ZrO2添加量和烧结温度对氧化铝陶瓷性能的影响[J].铸造技術，2018，39（8）：1799-1803.

[5] 张玉军，张伟儒.结构陶瓷材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005：1-8.

[6] 王昕，单妍，于薛刚，等.纳米ZrO2-微米Al2O3复合陶瓷中“内晶型”结构的形成与机理[J].硅酸盐学报，2003，31（12）：1149.

[7] YB/T 376.3-2004，水急冷—裂纹判定法[S].

[8] 曾峰，方海亮，王连军，等.氧化锆增韧氧化铝陶瓷的性能研究[J].广东化工，2018，45（4）：11-12，21.