固态素坯经过烧结而成为具有某些特定性能的多晶陶瓷材料。烧结过程是获得所期望的多晶材料之工艺中最后与最重要的一环。因此 ,陶瓷材料的烧结现象、机理与工艺控制的研究对于控制和改进材料的显微结构及其相应的物理化学性能有着十分重要的意义<1-4 > 。本文研究了氧化铝材料的烧结性能 ,并对此做了理论分析。固态素坯在烧结以前是由许许多多单个的固体微粒所组成的 ,在坯体中含有大量的气孔 ,气孔率约为 2 5%～ 60 % ,具体数值取决于材料的特性和所使用的成型方法。如果对固体素坯进行加热 ,素坯中的质点会发生迁移 ,高达某一温度时 ,素坯将随时间的延长而发生收缩 ;在低于熔点的温度下 ,素坯变成致密的多晶体 ,这种过程称为烧结。固态素坯经烧结后 ,宏观上出现的变化为收缩、致密化与强度增大。因此烧结的程度与速率常常可以用收缩率、气孔率、密度与烧结温度和烧结时间的关系来表征 <1-3 >。1 实验方法用 Sol Gel法合成了α Al2 O3
超细粉末 ,其平均颗粒度约为 1 .0μm。采用注射成型法对素坯进行成型 ,所使用的粘接剂为石蜡 ,将试样埋在氧化铝粉末中在 1 1 50℃下脱蜡。烧结是在日本产 UP2 5型程序控制仪控制下的二硅化钼炉中进行的 ,升温速度为 3℃ /min,降温速度为 1 0℃ /min。用游标卡尺测量并计算出试样烧结前后的体积 ,然后用 ( 1 )式来计算其体积收缩率<5> : 体积收缩率 =V0 - VV0( 1 )式中 ,V0 -试样的原始体积 ,V -烧结后的体积 ,试样密度的测量是用比重瓶法 <6>进行测量的。试样的相对密度的计算公式为 : ρ′=ρ真实 /ρ理论 ( 2 )式中 ,ρ′—试样的相对密度 ,ρ真实 —试样的测量密度 ,ρ理论 —试样的理论密度2 结果分析2 .1 烧结温度对试样收缩率和密度的影响为了考察烧结温度对试样烧结收缩率和密度的影响 ,分别测量并计算了烧结温度为 1 2 0 0℃、1 30 0℃、1 40 0℃、1 50 0℃、1 550℃、1 60 0℃、1 650℃下烧结的试样的体积收缩率和密度分别如图 1和图 2所示。 图 1 试样的体积收缩率随烧结温度的变由图 1和图 2可以看出 :( 1 )在 1 2 0 0℃下烧结时 ,各试样的相对体积收缩率都很小 ,密度也较低这说明了材料基本上未发生烧结 ,( 2 )随着烧结温度的升高 ,三种试样的相对体积收缩率都和密度是增大的 ;( 3)在相同的温度条件下烧结后 ,经无水乙醇制得的粉末试样的收缩率最大。固体材料在高温下实现烧结的基本因素是原子在固体中能够从一个位置迁移到另一个位置的扩散。原子在固体中不是静止不动的 ,而是围绕着它们的平衡位置以 1 0 12次 / s的振动频率不停地振动 ,且随着温度的升高 ,这种振动的振幅增大。在高于绝对零度的任何温度下 ,固体材料中的某些原子具有足够大的能量以摆脱周围原子的束缚 ,而从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。温度越高 ,束缚原子的能量越小 ,能扩散迁移的原子比例就越大。当原子从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置时 ,存在一个高能态的中间位置。在固体材料中只有部分质点具有足够高的能量以克服这个能垒而发生原子的扩散。克服这个能垒所需要的能量ΔG+ 称为扩散活化能。实验表明 ,温度升高时 ,有可以克服能垒 ΔG+的质点浓度将按指数增加 ,从而使质点的扩散系数增大。扩散系数 D与温度 T的实验关系式 <1>可以表示为 : D =D0 exp( - ΔG+RT) ( 3)式中 ,D -扩散系数 ,D0 -指前因子 ,ΔG+ -扩散活化能 ,R -气体常数 ,T -绝对温度对于氧化铝材料来说 ,其总的烧结收缩可以认为是由这样两个方面的因素组成 :在升温过程中的烧结收缩和在恒温条件下的烧结收缩。描述粉末在等温的条件下 ,受扩散控制的烧结收缩模型 <7>为 : y2 - y20 =<5.2 6γΩD/ ( k Ta3 ) >t ( 4 )式中 ,y2 -收缩分数 ,y20 -从室温加热到恒温烧结过程中的收缩分数 ,γ -固体的表面自由能 ,Ω-扩散物的体积 ,D -扩散系数 ,k - Boltzann常数 ,T -绝对温度 ,a -颗粒半径 ,t-烧结时间。在 1 2 0 0℃时 ,各试样之所以未发生明显的烧结现象 ,是由于在此温度下 ,氧化铝固体材料中还未有足够多的原子具有足够高的能量克服能垒而形成质点的迁移。因而扩散系数非常小 ,发生烧结的现象也就不明显。随着温度的升高 ,氧化铝材料中各质点的振幅增大 ,束缚原子的能量减小 ,能够克服能垒而形成迁移的原子的数量增加 ,扩散系数 D也就相应地增大了。因原子的扩散使得氧化铝固体材料的烧结速率增大。由式 ( 4 )可知 ,温度对烧结收缩率的影响不仅表现为其对烧结收缩率的直接影响上 ,而且还在于其对扩散系数 D的影响。由于扩散系数 D随温度成指数递增 ,它对收缩率产生的影响要比温度的直接影响大 ,因而 ,随烧结温度的升高 ,试样的烧结收缩率增大 ;相应地 ,试样的密度也增大了。2 .2 烧结时间对试样收缩率和密度的影响在 1 50 0℃下分别将试样烧结 0 . 5h、 1 . 0 h、2 .0 h、3.0 h、4.0 h、6.0 h。测量并计算了试样的烧结线收缩率和密度 ,结果如图 3和图 4所示。图 3 试样的线收缩率随烧结时间的变化 图 4 试样的密度随烧结时间的变化由图 3和图 4可以看出 ,随着烧结时间的延长 ,试样的烧结收缩率和密度都是增大的。烧结时间对烧结收缩率的影响同样也可由 ( 4 )式来描述 ,由 ( 4 )可知 ,在烧结温度一定时 ,烧结收缩率与烧结时间成线形关系 ;因而随着烧结时间的延长 ,烧结收缩率是增大的 ,同时试样的密度也就增大了。2 .3 试样的断口形貌分析在不同温度下烧结的试样的断口 SEM照片如图 5所示。由显微组织照片可明显看出 ,在 1 50 0℃下烧结的试样中存在大量的气孔 ,说明材料烧结不充分 ;随着烧结温度的升高 ,材料中的气孔逐渐过渡为不连通的孤立气孔 ;在 1 650℃烧结的试样中气孔封闭且呈较圆滑的孔洞状态 ,说明材料已经达到了较完全的烧结。 a— 15 0 0℃ b— 16 0 0℃ c— 16 5 0℃图 5 Zr O2 Al2 O3材料的 SEM照片3 结论通过对用 Sol Gel法制备的氧化铝超细粉末烧结特性的研究 ,可以得出以下结论 :( 1 )烧结温度是影响氧化铝陶瓷材料致密化程度的关键性因素 ,随烧结温度的升高 ,试样的烧结收缩率和密度都是增大的。当烧结温度超过 1 550℃时 ,烧结收缩率变化较小。烧结温度为 1 60 0℃时 ,各试样的密度已达到理论密度的 94%以上。( 2 )烧结时间也是影响材料致密化程度的重要因素 ,随烧结时间的延长 ,试样的收缩率和体积密度都是增加的 ,其中烧结收缩率与时间成线性关系氧化铝超细粉末的烧结特性@宋希文$包头钢铁学院
@安胜利$包头钢铁学院
@赵文广$包头钢铁学院氧化铝;;超细粉末;;烧结特性研究了用 Sol Gel法制备的氧化铝超细粉末的烧结特性。着重于研究烧结温度和烧结时间对氧化铝超细粉末烧结特性的影响。烧结温度是影响原子 (或离子 )扩散系数的重要因素 ,随着烧结温度的提高 ,试样的烧结收缩率和密度均是增加的。烧结时间也将影响试样的烧结密度 ,随烧结时间的延长 ,试样的收缩率和密度也均是增加的1 崔国文 .缺陷扩散与烧结
.北京 :清华大学出版社 ,1990 .
2 金格瑞 W D.陶瓷导论 .北京 :中国建筑工业出版社 ,1987.
3 Bruch C A. Sintering kinetics for the high density alumi-na process. Am Ceram Bull,196 2 ,41(12 ) :799～ 80 6 .
4 浙江大学等 .硅酸盐物理化学 .北京 :中国建筑工业出版社 ,1983
5 王维邦 .耐火材料工艺学 .北京 :冶金工业出版社 ,1994.
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7 Raja W,Ivan B Cutler.Effect of iron oxide on the sin-tering kinetics of Al2 O3. J Am Ceram . Soc,1973,5 6(11) :5 5 8～ 5 6 3内蒙古自然科学基金资助 !项目编号 :980 2 0 3结时间的延长 ,试样的烧结收缩率和密度都是增大的。烧结时间对烧结收缩率的影响同样也可由 ( 4 )式来描述 ,由 ( 4 )可知 ,在烧结温度一定时 ,烧结收缩率与烧结时间成线形关系 ;因而随着烧结时间的延长 ,烧结收缩率是增大的 ,同时试样的密度也就增大了。2 .3 试样的断口形貌分析在不同温度下烧结的试样的断口 SEM照片如图 5所示。由显微组织照片可明显看出 ,在 1 50 0℃下烧结的试样中存在大量的气孔 ,说明材料烧结不充分 ;随着烧结温度的升高 ,材料中的气孔逐渐过渡为不连通的孤立气孔 ;在 1 650℃烧结的试样中气孔封闭且呈较圆滑的孔洞状态 ,说明材料已经达到了较完全的烧结。 a— 15 0 0℃ b— 16 0 0℃ c— 16 5 0℃图 5 Zr O2 Al2 O
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