硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的抗热震性能研究.doc

硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的抗热震性能研究第31卷第3期2010年9月陶瓷学报JOURNAL0FCERAMICSVo1.31.No.3Sep.2010文章编号:10002278(2010)03-038106硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的抗热震性能研究马红萍祝邦文王建武z吴赛豪(1.浙江科技学院机械与汽车工程学院,杭州:310012;2.平阳求实医疗器械有限公司,温州:325400)摘要通过对表面包覆10wt%硅溶胶的氧化铝粉体在不同温度下进行煅烧,并以不同温度煅烧后的粉体为原料制备陶瓷,探讨了硅溶胶包覆对氧化铝陶瓷烧结性能,力学性能以及抗热震性能的影响规律.结果发现,硅溶胶在氧化铝粉体颗粒表面形成良好包覆,这种完整包覆可以维持在900不发生变化;当煅烧温度超过1000时,部分硅溶胶从氧化铝表面剥落,形成细小颗粒填充在氧化铝粉体颗粒问的间隙,有效促进了陶瓷饱和体积密度的提高,从而使得陶瓷具有良好的抗弯强度,但其抗热震性能较差;当粉体的煅烧温度较低时,将获得多孔的陶瓷结构,可以有效提高陶瓷的抗热震性能,700oC煅烧过的粉体制成陶瓷,可以经受1200(2的热震11次.关键词硅溶胶,氧化铝陶瓷,莫来石,抗热震性能中图分类号:TQ174文献标识码:A1引言氧化铝陶瓷是氧化物中最稳定的物质,具有机械强度大,硬度高,耐磨损,耐高温,耐腐蚀,高的电绝缘性与低的介电损耗等特点,已成为目前应用最广的结构陶瓷和功能陶瓷材料11.然而,氧化铝陶瓷同大多数陶瓷一样,存在着抗热震性差和断裂韧性低的缺点.为提高氧化铝陶瓷的力学性能与抗热震性,目前大多采用添加部分稳定氧化锆,碳化硅晶须,纳米颗粒以及莫来石等来实现删.其中,以氧化铝和氧化硅为原料合成得到的莫来石,是Al0.一SiO.系中唯一稳定的化合物,具有低的热传导系数和热膨胀系数,优异的抗蠕变和抗热震性,常被用于添加到氧化铝陶瓷中来改善其高温力学性能”j.由于水合硅溶胶的原料易得且制备成本低廉,以硅溶胶和氧化铝先驱体合成莫来石得到了广泛研究.陈照峰等1通过氧化铝先驱体溶液循环浸渍热解结合硅溶胶浸渗强化的方法,制备了三维碳纤维预制体增韧的氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料.朱新文等.研究了氧化铝粉体在硅溶胶中的分散性行为,提出氧化铝在硅溶胶中的分散机理为静电位阻稳定机理.孔德玉等对硅溶胶分散氧化铝浆料的免脱气注凝成型工艺展开了研究.然而,上述研究并未对硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的烧结性能,力学性能以及抗热震性能展开探讨.因此,本文拟通过在氧化铝粉体表面包覆硅溶胶,再在不同温度下煅烧获得不同起始粒径的SiO.,探讨硅溶胶包覆对氧化铝陶瓷烧结性能,力学性能以及抗热震性能的影响规律.2实验采用高纯商业dA1O.粉体为原料,上海跃江集团生产,纯度99.99%;硅溶胶型号为NS一30,浙江宇达化工有限公司生产,固含量30.75wt%,pH值为9左右.按SiO占A1O.陶瓷粉体质量的10wt%称取硅溶胶,然后将硅溶胶与氧化铝粉体放入球磨罐中,加入氧化锆磨球与适量无水乙醇,同时滴加适量乙酸促进硅溶胶发生凝胶化转变,并将球磨罐密封后滚动球磨24h;将球磨后已经凝胶化的料浆取出,倒收稿日期:20100225基金项目:浙江省科技计划项目资助(编号:2008C21053),温州市科技计划项目资助(编号:G20100040)通汛联系人:马红萍,E-mail:hongpingmahotmail.corn陶瓷学报)2010年第3期入医用托盘并放入90oC烘箱中干燥,对氧化铝粉体表面的包覆.即完成硅溶胶3.1硅溶胶包覆氧化铝粉体的表征将干燥后的混合粉体在7001200oC煅烧2h,分别放入球磨罐中滚动球磨12h,取出后在9O的烘箱中干燥.向烘干后的粉体中加入8wt%的PVA水溶液(聚乙烯醇)造粒,过筛后压制成直径15mm,厚度8mm的圆块,以及5010X5mill的长条试样.将上述试样放入马氟炉中以loC?min的升温速率升至500oC保温1h排除有机物质;冷却后取出试样放入高温烧结炉中,以5oC?min的升温速率在15001700oC保温2h对陶瓷进行烧结.将烧结后的长条试样放入1200oC的烧结炉中保温20min,然后取出置于25的冷水中快速冷却,利用样品在1200oC热震前后的抗弯强度作对比,同时将样品经过多次热震直至产生宏观裂纹,记录不同样品出现裂纹所经历的热震次数,以此来表征陶瓷的抗热震性能.采用扫描电镜(SEM,JSM一5601)观察粉体与陶瓷的微观形貌.采用404PC差热分析仪和WRT一3P微量热天平分析仪对样品进行差热(DTA)一失重(TG)分析.利用x一射线衍射仪(XRD,ARLXTRA,CuK)对不同温度煅烧后的粉体以及烧结后的陶瓷进行物相分析.采用排水法测试陶瓷的体积密度.利用三点弯曲法在电子万能试验机(SFL一25A0)上测试长条试样的抗弯强度,依据公式盯F3PL/2bhz进行计算,其中P为试样断裂时的载荷,L为跨距,b为试样宽度,h为试样高度.3结果与讨论图1氧化铝粉体被硅溶胶包覆前后的扫描电镜照片Fig.1SEM0fAl203powders(a)withoutcolloidalsilicaand(b)enwrappedwithcolloidalsilica图l示出了氧化铝粉体在包覆10wt%硅溶胶前后的扫描电镜照片,包覆前后的样品均经过90烘干.从图l(a)中可以观察到,未包覆硅溶胶的氧化铝粉体,其颗粒表面的棱角分明,特别是板条状粉体的表面呈现大量的锐角与直角;而图l(b)示出经过硅溶胶包覆的氧化铝粉体,其表面光滑圆润,这说明硅溶胶在氧化铝粉体颗粒的表面形成了良好的包覆.图2示出了硅溶胶,氧化铝粉体以及表面包覆硅溶胶氧化铝粉体的差热一失重分析曲线.从图中的曲线(a)可以观察到,硅溶胶在129oC附近出现一个较大的吸热峰,对应着硅溶胶中溶剂水分的挥发;564oC附近较宽的放热峰对应着硅溶胶SiO?nHO中水分子的脱去;同时在1036oc附近存在一个较小的放热峰,这主要是由于已经脱去水分子的SiO发生物相变化所致.曲线(b)所对应的氧化铝粉体在升温过程中的热量变化较小,无明显的吸热峰与放热峰出现.由于包覆在氧化铝粉体表面的硅溶胶含量较少,导致差热曲线(c)的变化趋势也比较平缓.同时从失重曲线上可以观察到,表面包覆硅溶胶的氧化铝粉体,在600800区问的失重趋于平缓,室温至此温度区问的样品失重率不超过l%,当温度继续上升到900oC后又出现微量失重,这主要是由于少量杂质在高温灼烧过程中发生挥发所致.图3示出了表面包覆10wt%硅溶胶的氧化铝粉体,在不同温度煅烧后的XRD图谱.从图中可以观察到,经过7001200oC煅烧,所有样品的物相都为OLAIO.,这说明硅溶胶在1200oC以下的温度煅烧后S磬图2样品的差热一失重分析曲线Fig.2DTAandTGcurvesfor(a)colloidalsilica,(b)AI203and(C)AI203enwrappedwithcolloidalsilica陶瓷学报2O10年第3期图3不同温度下煅烧后样品的XRD图谱Fig.3XRDpatternsofAI2O3powdersenwrappedwithcolloidalsilicaandcalcinedatdifferenttemperatures还处于无定型态,并未形成SiO的晶相或与氧化铝反应生成莫来石.图4示出了表面包覆10wt%硅溶胶的氧化铝粉体,在不同温度煅烧后的SEM照片.从图中可以观察到,700与900oC煅烧过粉体的表面光滑圆润,与图l(b)的微观结构基本一致,这说明即便在900煅烧后硅溶胶均能在氧化铝粉体颗粒表面形成良好的包覆.同时从图4(c)与(d)中观察到,当将煅烧温度升高到10001200时,部分硅溶胶从氧化铝粉体颗粒表面剥落形成细小颗粒,而且煅烧温度越高细小颗粒越多;与图l(a)fi纯氧化铝粉体照片相比,可以明显观察到经过1200oC煅烧后,大部分硅溶胶仍然包覆在氧化铝粉体表面,仅有少部分硅溶胶从氧化铝粉体颗粒表面剥落形成细小颗粒.3-2硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的烧结性能图5示出了不同温度煅烧表面包覆硅溶胶的氧化铝粉体,压制成陶瓷坯体并在不同温度烧结后的体积密度.从图中可以观察到,所有样品在16501700烧结后均获得了饱和体积密度(样品在不同温度烧结获得的最大体积密度),且随着粉体煅烧温度的升高,陶瓷的饱和体积密度也相应增大;这主要是由于7001200中较高煅烧温度获得的粉体,部分硅溶胶从所包覆的氧化铝粉体表面剥落成细小颗粒,填充在氧化铝粉体颗粒间的间隙,从而有效提高了陶瓷的饱和体积密度.而较低煅烧温度获得的粉体,在制备成陶瓷样块后的素坯密度偏低,在烧结过程中亦豳曩图4表面包覆硅溶胶的氧化铝粉体在不同温度煅烧后的扫描电镜照片Fig.4SEMofAI2O3powdersenwrappedwithcolloidalsilicaandcalcinedat(a)7oooC,(b)900,(c)1000and(d)1200oC会发生硅溶胶从氧化铝粉体表面的剥落,从而造成陶瓷体在烧结后存在大量气孔,降低了饱和体积密度.图6示出了1200oC煅烧表面包覆10wt%硅溶胶的氧化铝粉体,在压制成陶瓷坯体并于1650度烧结后的XRD图谱;作为对比,图中同时示出了经过1200煅烧后粉体的XRD图谱.从图中可以观察到,1650度烧结的陶瓷中除了存在氧化铝相外,还出现了一定量的莫来石相,这说明硅溶胶与氧化铝发生反应生成了莫来石.图7示出了不同温度煅烧包覆硅溶胶的氧化铝粉体,压制成陶瓷坯体并于1650oC烧结后的扫描电镜照片.从图中可以观察到,随着粉体煅烧温度的升高,陶瓷在1650烧结后的气孑L减少,微观结构趋于致密,这与图5中陶瓷饱和体积密度的变化规律基本一致.在较低煅烧温度下获得的粉体,压制成陶瓷后的素坯密度偏低,且在烧结过程中会发生硅溶胶从氧化铝粉体表面的剥落形成细小颗粒,从而造成颗粒问的界面增多,导致陶瓷在烧结后出现大量气孔;而在较高煅烧温度下获得的粉体,部分硅溶胶已经从所包覆的氧化铝粉体表面剥落成细小颗粒,填充在氧化铝粉体颗粒问的间隙,从而有效提高了陶瓷的饱和体积密度.3.3硅溶胶包覆氧化铝陶瓷的抗热震性能图8示出了不同温度煅烧包覆硅溶胶的氧化铝粉体,压制成陶瓷坯体并于1650烧结后的抗弯强度(a),以及经过一次1200oC热震后的抗弯强度(b).陶瓷学报)2010年第3期图5表面包覆硅溶胶的氧化铝陶瓷在不同温度烧结后的体积密度Fig.5RelationshipbetweendensityandsinteringtemperatureofAI2O3ceramicsenwrappedwithcolloidalsilicaandcalcinedatdifferenttemperatures图6煅烧后粉体与烧结后陶瓷的XRD图谱Fig.6XRDpaernsof(a)powdercalcinedat1200oCand(b)ceramicsinteredat1650图7包覆硅溶胶的氧化铝在1650oC烧结后的扫描照片Fig.7SEMofAI2O3ceramicsinteredat1650oCdopedwithcolloidalsilicaandcalcinedat(a)700oC,(b)800oC(C)900oC,(d)1000oC,(e)1100oCand(f)1200oC从曲线(a)中可以观察到,随着粉体煅烧温度的升高,陶瓷在1650oC烧结后的抗弯强度逐渐提高,这主要是由于高的粉体煅烧温度可以获得高的陶瓷体积密度,从而使得陶瓷获得良好的力学性能,有效提高陶瓷的抗弯强度.同时从曲线(b)中观察到,随着粉体煅烧温度的升高,陶瓷经1200热震后的抗弯强度下降幅度增大;煅烧温度为700的粉体制备的陶瓷,在热震后的抗弯强度下降了7.72MPa;1000,1100,1200煅烧过粉体制备的陶瓷,在热震后的抗弯强度分别下降了9.90,20.47,26.O0/IPa.图9示出了不同温度煅烧包覆硅溶胶的氧化铝粉体,压制成型并于1650烧结后,经过1200的多次热震直至出现宏观裂纹的次数.从图中可以观察到,随着粉体煅烧温度的升高,陶瓷的抗热震次数逐渐降低;煅烧温度为700的粉体制备的陶瓷,其抗1200oC热震的次数可达l1次,而煅烧温度为1000与1200的粉体制备的陶瓷,其抗热震次数分别下降到4次与3次;这与图8的分析结果一致,说明低的粉体煅烧温度,可以获得良好的抗热震性能.通过上述讨论得知,硅溶胶在氧化铝粉体颗粒表面形成良好的包覆,并在一定温度下发生反应生成莫来石晶相,在较低温度下煅烧获得的粉体在制备成陶瓷后具有较高的抗热震性能;其主要原因在于:(1)细晶强化作用.在较低温度下煅烧获得的粉体制备成陶瓷后,可以获得细小的陶瓷晶粒,如图7(a)的晶粒远小于图7(f),细晶状态一般比缺陷较多的粗晶粒状态具有更高的强度,高的强度使材料抵抗热应力而不致被破坏的能力增强,从而使得抗热震性得到改善.(2)适量气孔的作用.在较低温度下煅烧获得的粉体制备成的陶瓷体内存在一定量的气孔,适量气孔的存在不仅可以起到钝化裂纹尖端,减少应力集中的作用,而且促使热导率下降,起到隔热作用,从而改善材料的抗热震性能.(3)低热膨胀系数材料的生成.通过硅溶胶对氧化铝粉体颗粒进行包覆,在烧结成陶瓷过程中385陶瓷学报2010年第3期Calcinedtemperature/(C)图8表面包覆硅溶胶氧化铝陶瓷的抗弯强度Fig.8BendingstrengthofAI203ceramicsdopedwithcolloidalsilicaandcalcinedatdifferenttemperatures(a)sinteredat1650.(b)sinteredat1650oCandthenthermalshockedat1200oC生成莫来石,莫来石自身具有低的热传导系数和热膨胀系数,优异的抗蠕变和抗热震性,从而有效提高复相陶瓷的抗热震性能;同时,硅溶胶与氧化铝反应生成的莫来石,在氧化铝基体中呈弥散分布,对裂纹起到钉扎作用,使热震过程中裂纹扩展发生偏转或弯曲,扩展路径更为曲折,从而提高陶瓷材料的抗热震性能.4结论硅溶胶在氧化铝粉体颗粒表面形成良好包覆,这种包覆可以维持在900oC不发生变化;当煅烧温度超过1000时,部分硅溶胶从氧化铝粉体表面剥落,形成细小颗粒填充在氧化铝粉体颗粒间的间隙,有效促进了陶瓷饱和体积密度的提高.粉体煅烧温度的升高,可以促进陶瓷饱和体积密度的提高,从而获得高的抗弯强度,但其抗热震性能大幅下降;低的粉体煅烧温度,可以获得较高的抗热震性能,700煅烧过的粉体制成的陶瓷,在1650oC烧结后存在较多气孔,其抗弯强度为220.18MPa,在1200的温度下热震l1次才出现裂纹.较低温度下煅烧粉体制备成陶瓷抗热震性能提高的主要原因在于细晶强化,适量气孔的存在,以及硅溶胶与氧化铝反应生成莫来石的协同作用.Calcinedtemperature/(qC)图9包覆硅溶胶氧化铝陶瓷抗1200的热震次数Fig.9Relationshipbetweenthermalshockcyclesandcalciningtemperaturesofpowders参考文献lGazaR.,YukiharaE.G.,andMckeeverS.W.S.TheresponseofthermallyandopticallystimulatedluminescencefromAI203:Ctohigh-energyheavychargedparticles.RadiationMeasurements,2004,38(4-6):4174202DaiY.,GuoT.,PeiX.M.,eta1.EffectsofMCASglassadditivesondielectricpropertiesofA12Oa-TiO2ceramics.MaterialsScienceandEngineering:A,2008,475(1-2):76-803ShenL.Y.,LiuM.J.,LiuX.Z.,eta1.ThermalshockresistanceoftheporousAI20.4ZrO2ceramicspreparedbygelcasting.MaterialsResearchBulletin,2007,42(12):204820514GonzalezM.andHodgsonE.R.Electricalandmechanicalbehaviourofimprovedplatinumonceramicbolometers.FusionEngineeringandDesign,2007,82(5-14):1277-12815JensF.andBognaS.CompatibilityofmachinedCe-TZP/AI203nanocompositeandaveneeringceramic.DentalMaterials,2007,23(12):1500-15056OsadaT.,NakaoW.,TakhahashiK.,eta1.StrengthrecoverybehaviorofmachinedAl2OffSiCnano-compositeceramicsbycrack-healing.J.EuropeanCeramicSociety,2007,27(10):326132677LiuB.Q.,HuangC.Z.,LuX.Y.,eta1.InsitugrowthofTiCwhiskersinAI203matrixforceramicmachinetools.CeramicsInternational,2007,33(8):1475-14808MedvedovskiE.Aluminamulliteceramicsforstructuralapplications.CeramicsInternational,2006,32(4):3693759赵惠忠,计道堵,雷中兴等.纳米莫来石粉体的合成及其表征.”一uuu0IH0艺,口u长豸g商陶瓷学报2010年第3期386硅酸盐学报,2003,31(12):1216-122010罗海辉,张福成,张明.氧化铝/莫来石复合陶瓷断裂行为研究.陶瓷学报,2006,27(2):161-164ll薛明,曹腊梅.莫来石对氧化铝基陶瓷型芯的高温抗变形能力的影响.材料工程,2006,6:3335l2陈照峰,张立同,成来飞等.硅溶胶强化辅助制备C纤维增韧氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料.航空材料学报,2001,21(4):28-32l3朱新文,江东亮,谭寿洪等.氧化铝粉体在硅溶胶中分散行为的研究.硅酸盐学报,2001,29(3):263266l4孔德玉,杨辉,韦苏等.硅溶胶分散氧化铝浆料的免脱气注凝成型工艺.硅酸盐学报,2005,33(9):1070-1074THERMALSHoCKRESISTANCEoFAl2o3CERAMICENWRAPPEDWITHCoLLoIDALSILICAMaHongpingZhuBangwenWangJianwu.WuSaihao(1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,ZhiangUniversityofScienceandTechnology,HangzhouHangzhou310012;2.PingyangQiushiMedicalInstrumentCo.,Ltd.,Wenzhou,Zhejiang325400)AbstractT