稀土CeO2对氧化镁陶瓷烧结性能和抗热震性能的影响

郑博　 赵星滔　狄玉丽

摘  要：采用轻质氧化镁粉末为原料，稀土CeO2为添加剂，聚乙烯醇为粘结剂，常压烧结法制备氧化镁陶瓷。研究陶瓷烧结性能与抗热震性能的变化，在确定了氧化镁陶瓷的最佳烧结条件后，添加不同含量的稀土CeO2，制备氧化镁陶瓷，陶瓷的抗热震性能得到较大程度提升。结果表明：氧化镁陶瓷的最佳烧结条件是压制力为242MPa，烧结温度为1580℃，CeO2的添加量为8 wt%，氧化镁陶瓷此时的抗热震性能最好。

关键词：氧化镁陶瓷  稀土CeO2  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（b）-0001-03

MgO的实际密度为3.58g/cm3，熔点为2800℃，是氯化钠型结构，属于立方晶系。MgO陶瓷可以作为金属及其合金的理想冶炼容器。然而氧化镁陶瓷的热膨胀系数较大，导致烧结性能太差，抗热震性能也较差。通过改变烧结工艺和加入添加剂，氧化镁陶瓷的性能有所改变[1-2]。稀土氧化物作为添加剂，具有稳定性高、高温挥发性较弱、熔点和沸点高等优点，并对陶瓷材料的强度和韧性有较大程度的提升，且也可降低烧结温度而降低生产成本，从而广泛应用于陶瓷材料的生产中。另外稀土氧化物主要分布在陶瓷的晶界处，从而阻碍晶粒长大细化晶粒，有利于致密结构的形成[3-4]。将La2O3加入Al2O3陶瓷中，明显抑制Al2O3陶瓷晶粒的长大，而且陶瓷结合较紧密。将Y2O3加入ZrO2、MgO陶瓷中，陶瓷的烧结性能与抗热震性能性能得到较大程度提升[5-7]。张骋以混合添加剂加入到氧化镁陶瓷中，研究氧化镁陶瓷的抗热震性能变化，并且陶瓷的其他各项性能也得到了提升[8]。该文通过加入稀土CeO2到氧化镁粉末中，期望制得的氧化镁陶瓷在烧结性能与抗热震性能方面能得到较大程度的提升。

1  实验

1.1 氧化镁陶瓷的制备

实验采用轻质氧化镁粉末（AR，≥98.5%）为主要原料，稀土CeO2（≥99.99%）为添加剂，聚乙烯醇（≥98.0%）为粘结剂，其中CeO2的含量分别为0wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%、4wt%、8wt%、10wt%，记为1#～7#共7组。将称量好的原料放入球磨机中均匀混合，然后采用粉末压片机压制试样，成型压力为242MPa。用马弗炉烧结制备氧化镁陶瓷，分别采用1530℃、1580℃和1640℃为烧结温度，温度到达1000℃时，保温1h以除去试样中的聚乙烯醇，升到预定温度时保温3h烧结氧化镁陶瓷，然后随炉冷却。

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的变化;手动洛氏硬度计测试试样的洛氏硬度;采用GB/T 3298-2008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，晶粒生长情况;扫描电镜观察试样微观形貌。以上性能检测可以表征氧化镁陶瓷的烧结性能与抗热震性能。

2  结果与讨论

2.1 CeO2对氧化镁陶瓷性能的影响

2.1.1 烧结性能

图1是试样密度、孔隙率和体积收缩率的测试结果。由图1分析得知：加入稀土CeO2后，试样的密度增大，孔隙率降低，说明CeO2可以提高氧化镁陶瓷的致密化程度，得到高致密结构，可以促进氧化镁陶瓷烧结;从试样体积收缩率的检测结果得知，CeO2的加入可以提高氧化镁陶瓷的体积收缩率，使试样烧结得更加紧密，CeO2的含量到达4 wt%后，增大趋势变得平缓甚至下降。

2.1.2 抗热震性能

采用GB/T 3298-2008[9]来检测试样的抗热震性能同，结果见图2。从烧结后试样的抗热震性能测试结果得知：加入CeO2后的试样抗热震性能比未加入的试样有较大的提高。由于CeO2分布于氧化镁晶界处，阻碍烧结过程中方镁石晶粒的异常长大，细化晶粒尺寸，可以有效提高陶瓷的力学性能。从而促进了MgO陶瓷的烧结，晶粒间的结合强度增加。烧结过程中CeO2与氧化镁生成了固溶体，增大了陶瓷的强度和硬度，于是陶瓷的抗热震性能也得到提高。然而，当CeO2的含量过高时，会导致陶瓷的性能降低。CeO2的含量在2wt%之前，氧化镁陶瓷抗热震性能呈现上升趋势，CeO2含量为8 wt%时，抗热震次数高达20次之多，再多抗热震次数下降，表明8wt%为稀土最佳添加量。

2.1.3 XRD结果

图3 是含有不同CeO2含量的MgO陶瓷的XRD图谱。

由图所知：1#（空白组）、3#（1wt%CeO2）、5#（4wt%CeO2）、6#（8wt%CeO2）试样的主晶相都是方镁石，而且特征峰明显。随着CeO2含量得增加，方镁石特征峰越来越尖锐，其他晶面的衍射峰强度有所降低，说明CeO2可以增强陶瓷结晶程度。由于CeO2的添加量过少的原因，CeO2的特征峰在XRD图谱中不明显。CeO2在陶瓷烧结过程会与MgO形成固溶体，存在于晶格间隙，使得晶界处结合更紧密。由此可知，CeO2加入有促进方镁石烧结的作用，使MgO陶瓷烧结更加完全。

2.1.4 SEM结果

图4是2#和6#试样烧结后的电镜图，分析得知：（a）中氧化镁陶瓷晶粒生长较好，但是晶粒间存在缝隙，晶粒层层分布且结合紧密，晶粒表面比较光滑，没有过多的细小颗粒，说明CeO2可以促进氧化镁陶瓷烧结;（b）中晶粒不明显，由于CeO2含量过多，固溶到晶界处形成固溶体，使晶粒结合较为緊密，而且无缝隙存在，氧化镁陶瓷烧结较为完全，烧结出来的试样表观形貌较好。

3  结语

（1）压制压强为242MPa，烧结温度为1580℃时，氧化镁陶瓷具有较好的性能，陶瓷的致密化程度高，孔隙率较低，晶粒正常长大且饱满。

（2）在氧化镁陶瓷最佳烧结条件下，加入不同含量的CeO2后，MgO陶瓷的性能有较大程度的提高。当CeO2的含量为8wt%时，氧化镁陶瓷的抗热震性能最好，高达20次。

参考文献

[1] 于忞.TiO2对氧化镁陶瓷烧结性能及抗热震性能的影响[A].中国硅酸盐学会特种陶瓷分会.第十九届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C].中国硅酸盐学会特种陶瓷分会：中国硅酸盐学会特种陶瓷分会，2016.

[2] 张骋，张展鹏，张荣娟，等.高致密氧化镁陶瓷制备工艺优化[J].稀有金属材料与工程，2011，40（S1）：227-230.

[3] 姚义俊，丘泰，焦宝祥，等.稀土氧化物对氧化铝瓷性能的影响[J].真空电子技术，2004（4）：28-31.

[4] 刘维跃，辛玉军，李红岩.La2O3对ZTM陶瓷晶界性能的影响[J].材料研究学报，1996（1）：68-72.

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[8] 张骋，黄德信，徐兵，等.氧化镁陶瓷抗热震性能[J].稀有金属材料与工程，2009，38（S2）：1207-1209.

[9] GB/T 3298-2008，日用奥次抗热震性能测定方法[S].