光学非接触法研究Al2O3陶瓷的烧结收缩

所属分类：建筑论文阅读次时间：2020-04-02 12:13

本文摘要：摘要：烧结收缩曲线是制定、优化材料烧结工艺的重要依据。对于无压烧结而言，如果采用传统的尝试法测量材料烧结收缩曲线，往往需要制备几十个样品分别测量其烧结收缩率，实验过程费时、费力。而采用热膨胀仪或热机械分析仪测量材料的烧结收缩曲线，虽然具有

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　　摘要：烧结收缩曲线是制定、优化材料烧结工艺的重要依据。对于无压烧结而言，如果采用传统的尝试法测量材料烧结收缩曲线，往往需要制备几十个样品分别测量其烧结收缩率，实验过程费时、费力。而采用热膨胀仪或热机械分析仪测量材料的烧结收缩曲线，虽然具有快速、高效的优点，但仅能测量样品在顶杆轴向单一维度的线收缩率。本研究利用高温光学热膨胀仪原位非接触式测量了Al2O3陶瓷坯体在无压烧结过程中直径和高度的尺寸变化，发现样品沿上述两个维度的烧结收缩率不同。基于测量结果计算获得了材料的体积收缩曲线和致密度变化曲线，并进一步推算得出实验所用Al2O3粉体的表观烧结活化能为460kJ/mol±22kJ/mol。研究表明，光学非接触法非常适用于研究材料在烧结过程中的非均匀收缩行为。

　　关键词：烧结收缩;氧化铝;高温光学热膨胀仪

光学陶瓷

　　氧化铝(Al2O3)陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和优异的电绝缘性能，在工业、国防等诸多领域得到了广泛的应用，如矿物加工领域用的研磨球[1]、机械加工领域用的耐磨陶瓷衬片及切削刀具[2,3]、石油化工领域用的陶瓷球阀[4]、医疗领域用的陶瓷关节及牙齿[57]、电气电子领域中高压钠灯用透明陶瓷灯管、陶瓷基片、微波介质陶瓷等[810]。高品质Al2O3陶瓷产品要求具有高致密度、优异力学和物理性能以及高尺寸精度。无压烧结是Al2O3陶瓷产品最常用的制备工艺，而无压烧结工艺制度是陶瓷材料致密度和产品尺寸精度的重要影响因素。如何制定合理的无压烧结工艺制度，对获得高品质Al2O3陶瓷产品至关重要。烧结收缩曲线是制定、优化材料烧结制度的重要依据。

　　一般情况下，利用烧结收缩曲线可以准确地判断材料的烧结起始温度、烧结终止温度、烧结收缩率随温度变化关系、烧结收缩速率及样品致密度等关键信息，从而可以根据这些信息优化烧结温度和保温时间，设定合理的升温速率，达到提高样品致密度、省时、节能、避免样品开裂、提高成品率等目的。陶瓷材料烧结收缩曲线的测量方法主要有以下三种：

　　(1)直接烧结法：这种方法是早期研究材料烧结行为时的一种常规手段。通过在不同温度下烧结大量的样品，通过测量样品尺寸获得材料烧结收缩曲线。这一方法其实验量非常大、效率较低。(2)高温接触测量法：这种方法是采用热膨胀分析仪或热机械分析仪(ThermalMechanicalanalyzer,TMA)测量材料的烧结收缩曲线。加热过程中，顶杆始终与样品保持接触，从而通过顶杆位移测量得出样品的烧结收缩率[1114]。高温接触测量法具有简便、高效的优点，但其仅适合于测量在高温下不与顶杆发生反应的材料，且仅能测得材料在顶杆轴向单一维度的线收缩率。

　　(3)光学非接触测量法：这种方法通过测量材料的光学投影来获得其在烧结过程中的尺寸变化信息，是一种新型的测量方法。目前，光学非接触测量法所使用的设备主要有意大利ESS公司的高温光学非接触式热力学综合分析仪器、德国LINSEIS公司的高温光学热膨胀仪、美国TAInstrument公司的光学热膨胀仪以及我国天津中环电炉股份有限公司研发的可视化高温形变分析仪等。与直接烧结法和高温接触测量法相比，光学非接触法可测量材料在水平和竖直两个维度方向上的尺寸变化。因此，采用光学非接触法测量材料的烧结收缩曲线，对指导材料烧结工艺的制定与优化具有重要意义。但是目前关于这方面的研究报道很少。因此，本文采用光学非接触法测量了Al2O3陶瓷在非等温烧结条件下的尺寸变化，并据此计算了材料在烧结过程中的体积收缩曲线、致密度变化曲线及材料的表观烧结活化能，旨在为Al2O3陶瓷烧结工艺制定与优化提供指导与参考，同时为科研人员研究材料烧结收缩行为和评价粉体烧结活性提供一种新的选择。

　　1实验

　　1.1原料

　　以国产96Al2O3粉体为原料。采用日本JEOL公司的JSM6700F型扫描电子显微镜(SEM)对原料粉体形貌进行了观察。为Al2O3原料粉体的SEM形貌。Al2O3原料粉体颗粒呈近球形，球形粉体颗粒的直径为25µm~135µm。该球形颗粒实际上是由粒径小于2µm的细小Al2O3一次颗粒经造粒形成的二次颗粒。一般而言，球形形貌的粉体往往具有良好的流动性，有利于提高Al2O3粉体的成型性和生坯密度。

　　1.2坯体成型

　　称取0.25gAl2O3粉末装入不锈钢模具，经30MPa干压成型后再于200MPa下冷等静压成型，获得尺寸为4.97mm×5.08mm的圆柱状陶瓷坯体。

　　1.3样品烧结收缩曲线的测量

　　实验采用光学非接触法在线测量材料的烧结收缩曲线。所用测量设备为可视化高温形变分析仪(TA16A01，天津中环电炉股份有限公司)。该设备主要由烧结系统、光学成像系统及数据记录与处理系统三部分组成。仪器测量温度范围为室温~1600C，样品加热温区的温度均匀度为±6C，尺寸测量精度达10µm。材料烧结收缩曲线测量方法如下：将样品放置于测试支架上，分别以2.5C/min、5C/min和10C/min的升温速率将样品加热至1600C，随后停止加热，使样品自然冷却。烧结过程中，采用远心蓝光光源持续发射平行光束照射在样品上，使其产生投影，经过高温滤光片后由高速摄像机接收图像，再由数据记录与处理系统对图像进行分析处理。最终在线获得材料烧结收缩数据。

　　1.4表征分析

　　采用阿基米德排水法对烧结最终所得样品的体积密度进行了测量，并与利用样品烧结收缩数据计算所得的体积密度进行对比。计算过程中，所用Al2O3的理论密度为3.97g/cm3。

　　2结果与讨论

　　2.1直径收缩率

　　烧结温度关系为样品直径收缩率与烧结温度的关系曲线。可以看出，以2.5C/min、5C/min和10C/min的升温速率分别将样品加热至1600C后，样品直径的收缩率分别为12.58%、11.01%和9.71%。这说明在非等温烧结条件下，采用较低的升温速率有助于促进样品收缩。注意到在不同升温速率下样品的烧结收缩起始温度均在1150C左右，升温速率对样品的烧结收缩起始温度没有明显影响。

　　2.2高度收缩率烧结温度关系

　　为样品高度方向的收缩率与烧结温度的关系曲线。以2.5C/min、5C/min和10C/min的升温速率分别将样品加热至1600C后，样品高度方向的收缩率分别为15.73%、14.14%和12.01%。与相对应的直径方向收缩率对比可知，无压烧结过程中，Al2O3陶瓷在直径与高度两个方向的收缩率不同，其直径方向收缩率略小于高度方向收缩率。也就是说Al2O3陶瓷存在非均匀烧缩现象，这可能是在样品烧结过程中受重力影响所致，也可能是由于Al2O3陶瓷粉体经干压、冷等静压成型后所得生坯内部密度不均匀导致。

　　3结论

　　(1)实验所用Al2O3陶瓷粉体经干压、冷等静压成型后，所得坯体在烧结过程中存在非均匀收缩现象，其沿直径与高度两个方向的收缩率不同。光学非接触法适用于研究材料在烧结过程中的非均匀收缩行为。

　　(2)采用光学非接触法测定材料的烧结收缩曲线，具有简便、高效的特点。基于该方法测量所得材料在不同维度的线收缩率，可以方便地计算出材料的体积收缩率温度关系、致密度温度关系及表观烧结活化能。

　　参考文献

　　[1]秦麟卿,吴伯麟,谢济仁,等.耐磨氧化铝研磨球的生产和应用[J].武汉理工大学学报,2001,23(3):1214.

　　[2]范磊,陈华辉,宫学源,等.不同润滑条件下氧化铝陶瓷衬板的磨损机制[J].润滑与密封,2008,22(11):1620.

　　[3]KUMARAS,DURAIAR,SORNAKUMART.Theeffectoftoolwearontoollifeofalumina-basedceramiccuttingtoolswhilemachininghardenedMartensiticstainlesssteel[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006,173(2):151156.

　　[4]付伟峰,唐竹兴,朱庆芳,等.Al2O3球阀的研制[J].现代技术陶瓷,2007,(2):69.