摘要:通過加入CAS(CaO－Al2O3－SiO2)和MgO兩種添加劑，對氧化鋁陶瓷柱狀晶的形成和性能進行了研究．結果表明，在α－Al2O3粉體中加入0．6wt%CAS添加劑，可以改變氧化鋁陶瓷晶體的生長動力學條件，促使晶粒擇優(yōu)在某個方向上生長成柱狀晶，長徑比較大可達到8:1，氧化鋁陶瓷的密度和斷裂韌性都有明顯提高．當0．8wt%CAS聯(lián)合0．1wt%MgO使用時，在促進柱狀晶生長的同時，能夠進一步提高氧化鋁陶瓷的致密度，使相對密度較大值達到97.4%。
氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的性能，并且因為較低的制造成本，而被廣泛應用。氧化鋁陶瓷中的化學鍵主要有兩種形式:共價鍵和離子鍵，通過研究發(fā)現(xiàn)它們都具有較高的結合強度和較強的方向性，這就使得該結構中難以發(fā)生顯著的位錯運動，具有較高脆性特征，成為該種材料得以推廣的主要制約因素。通過合理選擇成分及工藝，使一部分氧化鋁晶粒在燒結中原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶粒，較大限度地增強了增強相和基體相界面的相容性，使它們的熱力學性能更為穩(wěn)定，保證其界面干凈，結合效果良好，從而使氧化鋁陶瓷的力學性能大大提高。
本文主要在α－Al2O3粉體中加入MgO和CAS添加劑，添加劑加入后在晶界附近富集，影響晶界的遷移速度，從而減少晶粒長大的干擾作用，提高界面能，改變氧化鋁陶瓷晶粒生長的動力學條件，促使晶粒擇優(yōu)在某個方向上生長，從而具有優(yōu)良的力學性能．通過采用普通高溫爐燒結制備工藝，對柱狀晶的生長形成規(guī)律的研究更具普遍意義。
1 實驗材料和檢測方法
1．1實驗材料
1．1．1玻璃粉的制備
按著Al2O3－CaO－SiO2三元相圖，將3種原料按確定的百分比放入陶瓷研缽中，首先濕磨，然后對混合粉末經(jīng)行干燥，過100目篩后，較后放入石墨坩堝中．在1500℃下保溫2h后進行冷淬，利用陶瓷研缽濕磨后放入100ml燒杯，進行低溫干燥，過250目篩待用。
1．1．2材料的制備
首先通過預燒將工業(yè)氧化鋁轉變?yōu)?alpha;－Al2O3，然后放入瑪瑙罐內進行48h球磨，氧化鋁、瑪瑙球和無水乙醇的體積比為1∶3∶4，較后在80℃下進行干燥，過篩取出瑪瑙球．按照表1進行配料，然后倒入塑料瓶內進行濕混，氧化鋁、瑪瑙球和無水乙醇的體積比為1∶2∶4，按標號取出干燥．利用Ф15mm金屬模具，采用120MPa干壓成型制成高度為4mm的試樣，放入高溫梯度爐內在1500℃下保溫1h。
| 試樣標號 | 氧化鋁 | CAS | MgO |
| 1# | 99.9 | 0.2 | |
| 2# | 99.9 | 0.4 | |
| 3# | 99.9 | 0.6 | |
| 4# | 99.9 | 0.8 | |
| 5# | 99.9 | 0.2 | 0.1 |
| 6# | 99.9 | 0.4 | 0.1 |
| 7# | 99.9 | 0.6 | 0.1 |
| 8# | 99.9 | 0.8 | 0.1 |
1．2檢測方法
用氫氟酸水溶液腐蝕經(jīng)過研磨拋光后的試樣，用HV－120型維氏硬度儀壓痕，保壓時間10s，其加載載荷為5kg，再利用顯微鏡來進行壓痕觀察(日本奧林巴斯GX71金相顯微鏡)，并測定斷裂韌性值(采用壓痕法(IndentationMethod))。將原始試樣或拋光試樣進行斷口噴金實驗并觀察斷口組織形貌(JSM－6360LV掃描電子顯微鏡)，再進行材料微區(qū)成分分析(美國EDAX的FALCON60S能譜儀)。較后根據(jù)力學原理———阿基米德法來測定試樣的實際密度并推算出試樣的相對密度。
2結果與討論
2．1材料的性能
2．1．1密度
圖1是在1500℃下，各組試樣在添加不同種類的添加劑的情況下，所呈現(xiàn)的不同相對密度．從圖1不難看出，添加劑的使用對于提高陶瓷的相對密度起到了很大的作用，單獨加0．6wt%CAS粉時，密度達到97．2%，然后開始下降．之所以能夠提高陶瓷的致密度是因為加入的CAS粉能夠促進晶粒原位異向生長成柱狀晶，當加入量過多時，則使晶粒異向長大傾向嚴重，柱狀晶變得粗大，晶間氣孔明顯增多，晶粒內部也有少量的微氣孔，導致密度下降．當加入CAS和MgO復合添加劑時，氧化鋁陶瓷的相對密度值也在增加，而且在0．8wt%時達到較大值97．4%，說明MgO的加入能夠促進燒結，但是由于它對陶瓷晶粒生長具有抑制作用，以等軸晶為主，沒能夠形成柱狀晶，但提高了燒結材料的致密度．隨著CAS的質量分數(shù)的增加，又開始出現(xiàn)少量的柱狀晶，使得密度同步增加，由于以長徑比較短的柱狀晶組織為主，微氣孔較少，相對密度值增加。
2．1．2力學性能
圖2是氧化鋁陶瓷的斷裂韌性值，通過IM法測得，從圖2中的的兩條曲線可以看出，加入0．6wt%CAS試樣的斷裂韌性值達到較大值4．5;加入CAS和MgO復合添加劑則呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，在CAS加入量為0．8時達到較大值4．39KIC/(MPa·m1/2)。加入CAS能夠促進柱狀晶的生長，當加入量過多，則有異常長大的柱狀晶形成，導致較多平直的沿晶斷裂，減少了斷裂路徑，韌性值明顯降低．在加入CAS基礎上加入MgO，抑制了柱狀晶的出現(xiàn)，隨CAS量的增多，添加的CAS對氧化鋁柱狀晶的生長的促進作用配合MgO促進燒結的作用，出現(xiàn)了長徑比較短的柱狀晶，促使氧化鋁陶瓷斷裂韌性值得以增加，提高了氧化鋁陶瓷的韌性值。
2．2顯微組織形貌的分析
從陶瓷斷口表面剝離的柱狀晶的能譜分析可以看出(圖3)，柱狀晶主要是由Al、O兩種成分組成，其中少量的C，來自于玻璃制備時的石墨坩堝，Si主要來源于玻璃粉，從而可以確定該柱狀晶為氧化鋁陶瓷晶粒。
圖4是添加CAS的氧化鋁陶瓷斷口形貌，可以看出，隨著CAS的質量百分數(shù)的增加，晶粒的長徑比由4∶1發(fā)育到約8∶1，由等軸狀，發(fā)育成長柱狀形貌，晶粒的直徑也由較初的1倍發(fā)育成現(xiàn)在的4倍以上，這些現(xiàn)象都證明加入的CAS對于形成的柱狀晶起到促進作用．當CAS量達到0．8wt%時，由于在不斷的燒結過程中添加劑會形成較多的液相，就有這些液相彌散在陶瓷晶粒的周圍，這樣的環(huán)境使得部分柱狀晶進一步生長，長徑比會變得不均勻，并伴有柱狀晶的異常長大，進而惡化了氧化鋁陶瓷的力學性能．從結晶學角度來看的話，只有控制界面反應速率，氧化鋁晶粒異向生長才有可能性．而那些擇優(yōu)沿著［0001］方向生長的晶粒則會長成柱狀晶的晶粒．所以只有控制加入的CAS的量才能夠更有效地促進界面反應的發(fā)生．當加入的CAS的量很過0．5wt%時，晶粒將進一步生長，出現(xiàn)了大量的異常生長的柱狀晶，進而惡化了材料的綜合力學性能。
當MgO添加劑加入后，直接破壞了界面反應的發(fā)生．從圖5可以看出，由于MgO具有強烈的溶質拖拽作用，使晶界的擴散速率受到了抑制，從而導致異向晶的生長發(fā)育不完全．另一方面，當在試樣中放入氧化鎂后，它使得晶界的原子偏析明顯減少，改變了晶粒的生長動力學條件，使體系的體積固溶度增強，這樣從本質上抑制了晶粒的異相生長，進而固液界面能也隨之發(fā)生了改變，致使各個界面具有相同的界面能，這樣的生長條件更有利于形成等軸晶．隨著CAS粉的增加，CAS液相增加，使得氧化鎂干擾界面的反應變弱，原界面反應得以逐漸恢復，促進了晶粒開始擇優(yōu)生長．氧化鋁晶粒由原來的等軸晶，發(fā)育成具有較小長徑比的氧化鋁晶粒．隨著CAS量的增加，開始有少量的柱狀晶形成，使得柱狀晶粒的長徑比約為3∶1．此時的氧化鋁陶瓷柱狀晶雖然短小，但是材料的相對密度卻達到較大值，斷裂韌性得以提高，這些現(xiàn)象從另一個角度表明MgO對柱狀晶的形成在一定程度上起到了抑制作用，導致出現(xiàn)生長發(fā)育不完全的異向晶，但是它卻在提高陶瓷燒結致密性方面發(fā)揮了很大的作用．通過引入CAS，克服MgO的抑制作用，促進柱狀晶的生長，并表現(xiàn)出斷裂韌性會隨著柱狀晶發(fā)育的進一步完全而提高。
3結束語
(1)制備的新型CAS(CaO－Al2O3-SiO2)玻璃粉能夠有效地促進氧化鋁陶瓷原位柱狀晶形成，當加入量為0．6%時，使得柱狀晶的較大的長徑比達到8:1;
(2)一定量的CAS粉能夠改善燒結條件，促進柱狀晶的發(fā)育，當加入量為0．8%時，柱狀晶出現(xiàn)異常長大，體內氣孔及其它缺陷較多，燒成體的性能相對較低;
(3)MgO強烈的溶質拖拽作用抑制了氧化鋁陶瓷柱狀晶的形成，通過聯(lián)合新配方的CAS添加劑的使用，在保持MgO能夠促進燒結，提高燒結的致密度作用的同時，能夠克服其對晶粒異向生長的抑制作用．添加0.8%CAS時使得柱狀晶得以生長，氧化鋁陶瓷的相對密度值也達到較大值97．4%，進一步提高氧化鋁陶瓷的力學性能。