摘 要： 研究了使用α-氧化鋁微粉作為起始原料, 以聚丙烯酸銨 (PAA-NH4) 為分散劑調(diào)配注漿成型用的漿料, 采用注漿成型法制備出幾乎沒(méi)有缺陷的生坯, 燒制出抗彎強(qiáng)度大于750 MPa的陶瓷體。探討了分散劑添加量對(duì)漿料黏度的影響、漿料特性對(duì)生坯特性的影響以及燒結(jié)后樣品的機(jī)械性能。注漿成型用漿料的特性是獲得高強(qiáng)度氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵。經(jīng)生坯特性 (密度與微結(jié)構(gòu)) 觀(guān)察、陶瓷體強(qiáng)度測(cè)試及破裂源檢測(cè)提出一種漿料設(shè)計(jì)觀(guān)點(diǎn), 即較佳的高分子分散劑添加量是達(dá)到飽和吸附以上但還未開(kāi)始大量產(chǎn)生分子間架橋作用的濃度范圍, 此狀態(tài)的漿料有助于增加粉體粒子之間的黏結(jié), 因而有效減少了生坯干燥過(guò)程中產(chǎn)生裂縫、缺陷的機(jī)率, 促使陶瓷體強(qiáng)度得到明顯提升。
氧化鋁陶瓷具有較高的硬度、耐磨耗性、熔點(diǎn)及化學(xué)穩(wěn)定性, 故在結(jié)構(gòu)陶瓷或精密陶瓷領(lǐng)域被廣泛使用。目前多數(shù)氧化鋁陶瓷機(jī)械強(qiáng)度在400MPa以下, 而作為高壓鈉燈燈管用的半透明氧化鋁雖幾乎完全致密, 但其強(qiáng)度僅在300MPa以下, 因此改善陶瓷制程以提升其強(qiáng)度一直是氧化鋁陶瓷研究的重要課題。許多研究用濕式成型法制作氧化鋁生坯, 所得坯體密度高、孔隙小及微結(jié)構(gòu)均勻, 且在低溫下即可制備出致密陶瓷體。原料粉體的凝聚現(xiàn)象對(duì)生坯品質(zhì)有嚴(yán)重的影響, 若要消除該影響可將粉體分散于溶液中, 然后運(yùn)用各種濕式成型法使其在脫除溶液時(shí)直接達(dá)到均勻緊密的堆積。漿料分散時(shí)常添加分散劑以改善漿料的流變性質(zhì)與黏度, 其中高分子分散劑可吸附在粉體表面通過(guò)空間阻隔作用達(dá)到分散效果, 若高分子在溶液中解離則兼具靜電排斥與空間阻隔效應(yīng)。筆者以α-Al2O3微粉為起始原料, 以PAA-NH4為分散劑調(diào)配出注漿成型用的漿料, 利用濕式成型法改善Al2O3坯體微結(jié)構(gòu)的均勻性以制備出高強(qiáng)度的陶瓷體, 探討分散劑添加量對(duì)漿料黏度的影響、漿料特性對(duì)生坯特性的影響以及燒結(jié)后樣品的機(jī)械性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 起始粉末特性
以粒徑為15nm的α-Al2O3微粉 (APD-100) 為起始原料 (比表面積為20m/g) , 經(jīng)噴霧造粒團(tuán)粒尺寸為50~100μm, 且具有良好圓度, 見(jiàn)圖1a;圖1b為構(gòu)成團(tuán)粒基本粒子掃描電鏡 (SEM) 照片, 可見(jiàn)部分大粒子是由2~3顆基本粒子組成的硬凝聚, 形成了蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)。起始粉末中還含有5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 納米級(jí)非晶質(zhì)ZrO2粒子, 以及其他微量雜質(zhì)如1.01×10Fe2O3、5.6×10SiO2、2.2×10MgO、9×10Na2O。
圖1 起始α-Al2O3粉末SEM照片
由于起始粉末已經(jīng)噴霧造粒, 在漿料制備中可能加入了分散劑或黏結(jié)劑。為檢測(cè)這些有機(jī)物含量與分解溫度, 對(duì)起始粉末進(jìn)行熱重分析 (TG) , 結(jié)果見(jiàn)圖2。在500℃之前約有2.5%質(zhì)量損失。有機(jī)物的使用雖可使?jié){料有效分散, 但其殘留于造粒后的團(tuán)粒中對(duì)后續(xù)干壓成型過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響, 故在成型前對(duì)粉體均施以500℃/2h前熱處理以除去有機(jī)物。
圖2 起始α-Al2O3粉末TG曲線(xiàn)
1.2 坯體成型與燒結(jié)
生坯制作方法分為兩種, 即單軸加壓成型與注漿成型。1) 單軸加壓成型:采用經(jīng)熱處理的起始粉末以單軸加壓成型, 施加壓力為100MPa, 制得棒狀生坯;未經(jīng)熱處理的粉末也以相同的條件制成坯體。為增加坯體的強(qiáng)度, 樣品先以5℃/min的速率升溫至800℃預(yù)燒1h, 然后取部分體積的樣品用DIL402C型熱膨脹儀測(cè)量其燒結(jié)收縮曲線(xiàn), 由室溫以10℃/min的速率升溫至1 550℃。2) 注漿成型 (分散劑為PAA-NH4, 具有靜電排斥-空間阻隔的分散效應(yīng)) :將0~0.5%的分散劑 (相對(duì)于起始粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 滴入去離子水中并以很聲波振蕩10 min, 依次置入ZrO2磨球與Al2O3起始粉末 (未經(jīng)500℃/2 h熱處理) 調(diào)制成固含量為30% (體積分?jǐn)?shù)) 的水基泥漿混合球磨12h。用DV-Ⅲ型流變計(jì)測(cè)量漿料的黏度, 根據(jù)黏度測(cè)量結(jié)果選取PAA-NH4添加量為0與3.5%的漿料進(jìn)行后續(xù)注漿成型。注漿時(shí)以針筒吸取適量漿料注入預(yù)先烘干 (50℃/0.5h) 的石膏模中, 室溫干燥2天, 之后將坯體脫模取出, 移至恒溫烘箱先以50℃干燥1h再升溫至100℃持續(xù)干燥1天即得粗坯。為增加坯體強(qiáng)度以利于后續(xù)修坯, 粗坯同樣以5℃/min的速率升溫至800℃預(yù)燒1 h, 而后用240~1500號(hào)砂紙加以修飾得到生坯。
1.3 樣品表征
以阿基米德法測(cè)量生坯密度, 以S-4200型掃描電鏡觀(guān)測(cè)生坯的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。以10℃/min速率升至1 500℃對(duì)生坯進(jìn)行等溫?zé)Y(jié)4~12 h, 同樣以阿基米德法測(cè)量燒結(jié)體密度, 以?huà)呙桦婄R觀(guān)測(cè)燒結(jié)體的拋光面與破斷面。為了解不同成型方式及燒結(jié)條件對(duì)陶瓷體機(jī)械強(qiáng)度的影響, 測(cè)試樣品分為3種:一種為單軸加壓成型制得的樣品;另外兩種為以注漿成型但PAA-NH4添加量分別為0與3.5%制得的樣品。燒結(jié)后將試片尺寸加工成4 mm×3 mm×40 mm, 采用4點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范測(cè)試材料的強(qiáng)度σ=3p (L-l) 2wt。式中:p為負(fù)荷;w為試片寬度;t為試片厚度。每組樣品測(cè)試5~10次取平均值, 強(qiáng)度測(cè)試后利用掃描電鏡觀(guān)測(cè)樣品的破斷情形以找出破壞源。
2 結(jié)果與討論
2.1 前熱處理對(duì)單軸加壓成型生坯及燒結(jié)體微結(jié)構(gòu)的影響
探討粉體單軸加壓成型前施以500℃/2h的熱處理對(duì)后續(xù)生坯以及燒結(jié)體微結(jié)構(gòu)的影響。圖3為粉體熱處理前后制得生坯SEM照片, 成型壓力均為200 MPa。密度測(cè)量結(jié)果顯示兩者雖均約為50%, 但粉體未經(jīng)熱處理除去有機(jī)物直接單軸加壓成型, 其坯體破裂面可觀(guān)察到很多團(tuán)粒呈現(xiàn)變形但未破裂的現(xiàn)象 (圖3a) , 導(dǎo)致生坯中存在大量的團(tuán)粒間界面及孔洞, 即使成型壓力增至500 MPa這種現(xiàn)象仍然存在。反之, 除去有機(jī)物的粉體團(tuán)粒則轉(zhuǎn)變?yōu)榫叽嘈? 在受壓過(guò)程中幾乎全部破裂, 粉體粒子得以填充于原團(tuán)粒孔洞間, 因此生坯微結(jié)構(gòu)具有較高的均勻性, 坯體中的缺陷密度大為降低 (圖3b) 。
圖3 粉體熱處理前后單軸加壓成型生坯SEM照片
圖4為粉體熱處理前后制得生坯燒結(jié)收縮曲線(xiàn)。粉體未經(jīng)前熱處理, 雖然初始燒結(jié)收縮溫度較低, 但在燒結(jié)后期其致密化有減緩的趨勢(shì), 當(dāng)溫度達(dá)到1 490℃時(shí)坯體收縮量有被很前的現(xiàn)象;其整個(gè)燒結(jié)過(guò)程的致密速率顯示出較大變動(dòng), 曲線(xiàn)走勢(shì)較不平滑。該現(xiàn)象主要是由坯體微結(jié)構(gòu)不均勻所引起, 未經(jīng)前熱處理的粉體在受壓時(shí), 團(tuán)粒內(nèi)的粒子可能因?yàn)橛袡C(jī)物的黏結(jié)、潤(rùn)滑作用而較易相互滑動(dòng), 達(dá)到較佳堆積狀況, 粒子間具有較短的距離, 故顯示出較低的初始收縮溫度;然而, 團(tuán)粒僅變形但未破裂而殘留的團(tuán)粒間孔洞與縫隙, 卻由于尺寸較大不易在燒結(jié)過(guò)程中排除, 因而造成燒結(jié)末期致密速率快速衰減。
圖4 粉體熱處理前后單軸加壓成型生坯燒結(jié)收縮率 (a) 與收縮速率曲線(xiàn) (b)
若進(jìn)一步觀(guān)察未經(jīng)前熱處理的粉體以單軸加壓成型制成的生坯于1400℃/16 h燒結(jié)后的破裂面 (圖5) 則可容易區(qū)分出兩部分:一部分為團(tuán)粒內(nèi)幾乎完全致密的區(qū)域;另一部分為團(tuán)粒間明顯的孔洞、縫隙。這類(lèi)缺陷將造成陶瓷體的裂化及機(jī)械強(qiáng)度的下降, 因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)凡采用這種粉體進(jìn)行單軸加壓成型均先施以500℃/2 h的熱處理。
圖5 粉體未經(jīng)前熱處理以單軸加壓成型坯體經(jīng)1 400℃/16h燒結(jié)樣品SEM照片
2.2 漿料特性分析
注漿成型時(shí)將未經(jīng)500℃/2 h熱處理的起始粉末調(diào)配成分散劑PAA-NH4含量為0~0.5%固含量為30%的水系漿料 (p H約為9) , 其分散程度用黏度值的差異加以評(píng)估。圖6a為漿料在剪切速率為80 s條件下的黏度-分散劑添加量相對(duì)變化趨勢(shì)。由圖6a可發(fā)現(xiàn), 當(dāng)漿料中分散劑添加量為0~0.3%時(shí)漿料的黏度可保持在較低的數(shù)值。當(dāng)分散劑添加量為0時(shí)漿料的黏度為8 m Pa·s;當(dāng)分散劑添加量為0.35%時(shí)曲線(xiàn)開(kāi)始有上升的趨勢(shì), 此時(shí)黏度值增加為63 m Pa·s;之后漿料的黏度隨著分散劑添加量的增加呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。圖6b則進(jìn)一步顯示出PAA-NH4添加量為0與0.35%時(shí)兩種漿料的黏度-剪切速率的變化。由圖6b可知, 在剪切速率的測(cè)量范圍 (20~500 s) 內(nèi), PAA-NH4的添加造成漿料在各剪切速率下呈現(xiàn)出較高的黏度值。
圖6 漿料黏度與分散劑添加量 (a) 和剪切速率 (b) 的變化趨勢(shì)
一般而言, Al2O3粉末若以高分子作為分散劑, 其黏度與分散劑添加量的變化趨勢(shì)常呈現(xiàn)U形曲線(xiàn), 即漿料黏度隨分散劑添加量的增加呈現(xiàn)先急劇減小后保持平穩(wěn)再急劇增大的趨勢(shì)[8]。這是因?yàn)? 在漿料中添加高分子分散劑有一臨界值, 達(dá)到該臨界值時(shí)高分子分散劑在粒子表面達(dá)到飽和吸收漿料穩(wěn)定分散, 此時(shí)的漿料黏度對(duì)應(yīng)一較小值;當(dāng)分散劑添加量很過(guò)飽和吸收量時(shí), 多余、未吸附的高分子即游離于粒子間;若分散劑添加量過(guò)高時(shí), 高分子間則開(kāi)始產(chǎn)生架橋作用致使黏度開(kāi)始上升。在實(shí)驗(yàn)中, 未添加分散劑PAA-NH4時(shí)漿料便具有較低的黏度, 其原因是起始粉體中既存的有機(jī)物在漿料中又發(fā)揮其分散效果所致, 當(dāng)分散劑添加量大于0.35%時(shí), 漿料黏度的急劇上升可能是添加的PAA-NH4與既存的有機(jī)物相互架橋造成的。圖7為粒徑相似的商用Al2O3粉末 (TM-DAR) 與實(shí)驗(yàn)用起始Al2O3粉末添加不同量分散劑PAA-NH4制備的固含量為30%漿料的黏度比較。由圖7可知, 在正常情況下分散粒徑約為150 nm固含量為30%的Al2O3漿料時(shí), 分散劑PAA-NH4的添加量應(yīng)大于0.6%。
圖7 不同PAA-NH4添加量下商用Al2O3粉末與實(shí)驗(yàn)用起始Al2O3粉末制備固含量為30%漿料的黏度比較
根據(jù)黏度分析結(jié)果, 實(shí)驗(yàn)選定在起始原料APD-100中添加不同量的PAA-NH4制備出注漿成型用的漿料 (分散劑添加量分別為0、0.35%) , 前者是黏度較低的狀態(tài), 后者是漿料中高分子開(kāi)始連接、黏度開(kāi)始變大的狀態(tài)。以下探討這兩者對(duì)于后續(xù)陶瓷制程 (生坯狀態(tài)與微結(jié)構(gòu)) 及機(jī)械強(qiáng)度的影響。
2.3 生坯特性分析
用于抗彎強(qiáng)度測(cè)試用的生坯分為3種:一種為單軸加壓成型制得的樣品;另外兩種則為以注漿成型但添加不同量PAA-NH4 (0、0.35%) 制得的樣品。3種生坯密度分別為50.3%、54.5%、53.7%, 依次可知濕式成型方式確實(shí)能有效改善粉體粒子的堆排狀況, 其中又以漿料分散狀態(tài)較好 (黏度較低) 的效果較佳。圖8為各種生坯破裂面的顯微結(jié)構(gòu)照片。圖8a、b顯示, 單軸加壓成型的生坯, 雖然粉體團(tuán)粒幾乎全部破裂, 無(wú)明顯的缺陷存在, 但原本團(tuán)粒間的界面及孔洞卻僅是粉體粒子以較為松散的堆積狀態(tài)所填充。而以注漿成型但未添加PAA-NH4制備的坯體密度較高, 微結(jié)構(gòu)中大部分區(qū)域的粒子均呈均勻的堆積, 但仔細(xì)觀(guān)察可發(fā)現(xiàn)有少數(shù)裂縫存在 (圖8c) , 其長(zhǎng)度在數(shù)微米至十幾微米之間, 這種缺陷的形態(tài)、大小與單軸加壓成型者不同, 這是因?yàn)樽{成型時(shí)泥坯在干燥過(guò)程中產(chǎn)生。反觀(guān)PAA-NH4添加量為0.35%的生坯, 其密度雖稍低于未添加PAA-NH4的生坯, 但其微結(jié)構(gòu)中卻無(wú)裂縫存在 (圖8d) , 其原因是高分子間的架橋現(xiàn)象在坯體干燥過(guò)程中也提供了粒子間黏結(jié)的作用。以濕式成型法制備生坯的過(guò)程中濕坯的干燥是一項(xiàng)重要的程序, 過(guò)快或不均一的干燥都可能導(dǎo)致坯體的翹曲、變形或龜裂, 因此常通過(guò)控制干燥過(guò)程的溫度、濕度使水分得以在坯體不會(huì)產(chǎn)生缺陷的情形下全部排除, 然而在粉體粒徑、坯體密度及其尺寸形狀等因素影響下使得溫度與濕度的控制變得非常復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 注漿成型制程中若以高分子聚合物PAA-NH4為分散劑, 則可將添加濃度調(diào)整至已很過(guò)飽和吸附量但還未開(kāi)始大量產(chǎn)生分子間架橋的范圍, 在這種情況下可使?jié)衽髦蟹垠w粒子間殘留多余未被吸附的高分子, 在后續(xù)的干燥過(guò)程中可能對(duì)粉體提供足夠的黏結(jié)功能, 進(jìn)而避免微結(jié)構(gòu)中缺陷的生成。
圖8 單軸加壓成型 (a、b) 、無(wú)PAA-NH4注漿成型 (c) 、0.35%PAA-NH4注漿成型 (d) 所得生坯SEM照片
2.4 抗彎強(qiáng)度分析
將單軸加壓成型與注漿成型的坯體于1 500℃燒結(jié), 其在各持溫時(shí)間下的相對(duì)密度列于表1。單軸加壓成型的坯體經(jīng)1 500℃/12h燒結(jié)其密度僅為95%;而注漿成型的坯體, 由于其具有良好的生坯堆積狀況, 于1 500℃燒結(jié)4 h其密度可達(dá)98%以上。
表1 單軸加壓成型與注漿成型的坯體在1 500℃燒結(jié)各持溫時(shí)間下的相對(duì)密度
單軸加壓成型與注漿成型的坯體于1 500℃燒結(jié)后用于強(qiáng)度測(cè)試, 各持溫時(shí)間下的強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖9。由于強(qiáng)度值除受密度影響外, 陶瓷體中缺陷的大小也是一個(gè)重要因素, 故實(shí)驗(yàn)也以SEM檢測(cè)表面或破裂面以找出可能的破裂源 (圖10) 。
圖9 單軸加壓成型與注漿成型的坯體于1500℃燒結(jié)各持溫時(shí)間下的抗彎強(qiáng)度
圖10 單軸加壓成型1 500℃燒結(jié)體 (a、b、c) 、注漿成型不添加PAA-NH41 500℃燒結(jié)體 (d、e、f) 、注漿成型0.35%PAA-NH41 500℃/12 h及8h燒結(jié)體 (g、h) SEM照片
單軸加壓成型的壞體經(jīng)1 500℃/12 h燒結(jié)的樣品抗彎強(qiáng)度僅為310 MPa, 經(jīng)破裂面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)燒結(jié)體中共包含3種缺陷:種是樣品尚未完全致密殘留的孔洞, 大小在1μm以下 (圖10a) ;第二種是少數(shù)晶粒異常成長(zhǎng), 長(zhǎng)度為10~20μm (圖10b) ;第三種是長(zhǎng)度介于50~100μm的裂縫 (圖10c) , 該裂縫的生成是由于生坯微結(jié)構(gòu)不均勻, 破裂團(tuán)粒內(nèi)堆積較為緊密的區(qū)域與團(tuán)粒間較為疏松的區(qū)域在燒結(jié)過(guò)程中致密化速度不一致所致, 亦即局部燒結(jié)所致。第三種缺陷雖然數(shù)量不多, 但其尺寸較大, 是造成樣品強(qiáng)度偏低的主要原因。
注漿成型但未添加PAA-NH4的坯體于1 500℃燒結(jié)4、8、12 h其密度均已高于99%, 燒結(jié)體強(qiáng)度無(wú)太大差異, 介于550~580MPa。經(jīng)觀(guān)察樣品張力面與破裂面發(fā)現(xiàn), 破裂源是在各個(gè)樣品中均可觀(guān)察到的長(zhǎng)條形孔洞 (圖10d、e) , 長(zhǎng)度為10~30μm, 該缺陷在生坯中即已存在且燒結(jié)后仍無(wú)法排除;圖10f所示, 經(jīng)1 500℃/12 h燒結(jié)的樣品也可發(fā)現(xiàn)晶粒異常成長(zhǎng), 其尺寸與長(zhǎng)條形孔洞類(lèi)似, 也可視為破裂源之一。
注漿成型添加0.35%PAA-NH4的坯體經(jīng)1 500℃燒結(jié)其抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)時(shí)間的增加展現(xiàn)出明顯的差異。持溫4h燒結(jié)體尚未完全致密化 (密度為98%) 強(qiáng)度較低 (約為574 MPa) ;持溫8h燒結(jié)體密度已達(dá)99%以上, 且微結(jié)構(gòu)中難以發(fā)現(xiàn)缺陷及裂縫, 故強(qiáng)度提升至775MPa;持溫12h微結(jié)構(gòu)中生成相似于其他兩種樣品所含的異常成長(zhǎng)經(jīng)歷 (圖10g) , 導(dǎo)致強(qiáng)度降至585MPa。
由上述對(duì)Al2O3燒結(jié)體強(qiáng)度與破裂源的分析可知, 經(jīng)不同成型方式 (單軸加壓成型或注漿成型) 以及成型參數(shù)的控制 (漿料中有機(jī)分散劑的含量) , 將使生坯及燒結(jié)體產(chǎn)生不同尺寸的缺陷并決定其強(qiáng)度的高低, 筆者即是通過(guò)漿料特性的改變以及注漿成型法獲得結(jié)構(gòu)均勻無(wú)裂縫的生坯, 進(jìn)而燒制出強(qiáng)度高達(dá)775 MPa的Al2O3陶瓷體 (圖10h) , 平均晶粒大小約為1.3μm。照片中較為明顯的晶粒為粉體系統(tǒng)中既存的ZrO2, 其大小在0.3μm以下, 結(jié)晶相屬四方晶相。一般對(duì)Zr O2韌化Al2O3陶瓷而言, Zr O2添加量若大于15%, 其晶粒大小需控制在接近四方晶相→單斜晶相→ZrO2相的相轉(zhuǎn)換臨界晶徑 (約0.7μm) , 方能使陶瓷體具有韌性、強(qiáng)度上的提升效果, 然而在此樣品中Zr O2含量?jī)H為5%且粒子小于其相變臨界晶徑, 故陶瓷體的高強(qiáng)度應(yīng)非由其貢獻(xiàn)。
根據(jù)Hall-Petch理論[9]縮減陶瓷體晶體尺寸是一種提高強(qiáng)度的有效方法, 故將以往研究與本研究結(jié)果列于圖11以觀(guān)察強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系, 其中虛線(xiàn)是根據(jù)Griffith理論[10]繪制。由圖11可知, Al2O3陶瓷體強(qiáng)度確實(shí)隨著晶粒尺寸縮減而遞增, 如晶粒由30μm減至1~2μm時(shí)其強(qiáng)度由100 MPa升至500~600 MPa;Spriggs等[11]以熱壓燒結(jié)制備出不同晶粒尺寸的氧化鋁燒結(jié)體 (2~100μm) , 其強(qiáng)度的演變與Griffith理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)相似。然而觀(guān)測(cè)更多以往的研究[12-13]數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值偏離預(yù)測(cè)值是一種常見(jiàn)現(xiàn)象, 這是由于陶瓷體實(shí)際情況不符合HallPetch理論假設(shè)所致, 亦即裂縫長(zhǎng)度不等于晶粒尺寸, 尤其是對(duì)晶粒較小燒結(jié)體, 一些制程因素 (如對(duì)坯體前處理, 對(duì)燒結(jié)體研磨、拋光, 或樣品的污染等) 而導(dǎo)入的非本質(zhì)裂縫將是決定陶瓷體強(qiáng)度的主要因素。而本研究制備的高致密、晶粒尺寸約為1.3μm的氧化鋁陶瓷體, 其強(qiáng)度明顯高于具有相同晶粒尺寸的以往研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其理論預(yù)測(cè)值, 原因在于整體陶瓷制程上對(duì)于生坯中裂縫及燒結(jié)參數(shù)的控制使燒結(jié)體中裂縫的長(zhǎng)度小于晶粒尺寸, 以Griffith理論推算結(jié)果為0.67μm, 僅為晶粒大小的1/2。
圖11 本研究與以往研究制備燒結(jié)體樣品抗彎強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系
3 結(jié)論
研究使用α-Al2O3微粉作為起始原料, 分別利用單軸加壓成型以及注漿成型制備生坯, 通過(guò)制程上的改善可制備出高強(qiáng)度氧化鋁陶瓷體。1) 單軸加壓成型前, 先將造粒粉體中既存的有機(jī)物通過(guò)焙燒的方法脫除, 可促使團(tuán)粒受壓時(shí)由塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云屏? 生坯微結(jié)構(gòu)中的缺陷密度將大幅下降。2) 注漿成型時(shí)PAA-NH4添加量對(duì)氧化鋁漿料黏度的影響很大, 當(dāng)其添加量足以使分散劑分子間開(kāi)始產(chǎn)生架橋作用時(shí), 漿料黏度也將開(kāi)始表現(xiàn)出急劇上升的趨勢(shì)。3) 經(jīng)生坯特性 (密度與微結(jié)構(gòu)) 觀(guān)察、陶瓷體強(qiáng)度測(cè)試及破裂源檢測(cè)提出一種漿料設(shè)計(jì)觀(guān)點(diǎn), 即分散劑添加量應(yīng)是已很過(guò)飽和吸附但還不至于開(kāi)始大量產(chǎn)生分子間架橋作用, 此時(shí)亦是漿料黏度隨分散劑添加量開(kāi)始急劇上升之處, 多余而未被吸附的高分子可發(fā)揮黏結(jié)粉末粒子的作用, 可有效避免生坯干燥過(guò)程的裂縫生成, 在適當(dāng)溫度/時(shí)間燒結(jié)后的致密陶瓷體中無(wú)明顯缺陷存在, 因而表現(xiàn)出高達(dá)775 MPa強(qiáng)度值。4) 實(shí)驗(yàn)制備氧化鋁陶瓷體的強(qiáng)度高于文獻(xiàn)中相似粒徑大小陶瓷體強(qiáng)度, 主要是因?yàn)闈袷匠尚椭瞥痰目刂朴行Эs減了燒結(jié)體中微裂縫尺寸, 據(jù)Griffith理論估算可得裂縫大小僅為晶粒尺寸1/2。