《武汉工程大学学报》 2011年04期
58-61
出版日期：2011-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
圆柱形微波多模烧结腔烧结Al2O3陶瓷的性能
0引言Al2O3陶瓷是氧化物陶瓷中的典型,目前普通Al2O3陶瓷以其良好的机械强度作为电子工业中电路衬底、发动机零部件材料、刀具已得到了广泛的应用,而且作为耐高温、抗腐蚀、耐磨损的机械零部件材料取代金属和合金也已取得显著的效果［1］.随着科学技术的发展,工业上对Al2O3陶瓷性能的要求不断提高,这就需要制备出具有性能更佳的Al2O3陶瓷.研究表明,Al2O3陶瓷的性能与其内部Al2O3的纯度以及微观结构密切相关,如何制备出纯度更高、结构更为致密的Al2O3陶瓷,是目前陶瓷研究领域的重点之一［2］.由于高纯Al2O3陶瓷烧结温度要远远高于普通Al2O3陶瓷,使用普通方法进行烧结需要较长时间,其制备成本在一定程度上限制了其在工业方面的应用.微波烧结技术的发展,使得应用微波加热技术来进行高纯Al2O3陶瓷烧结是一种理想的选择.在微波加热过程中,材料的整体加热和能量转换的效率都有其突出的优势,因此,使用微波烧结可实现材料致密化,易得到均匀的细晶粒显微结构,同时微波烧结还可以降低烧结温度,缩短烧结时间,改善产品的显微结构和提高性能,并且微波烧结易于控制、安全、无污染［3］.与其他陶瓷材料的微波烧结相比,使用微波加热烧结Al2O3陶瓷还有其独特的特点:Al2O3陶瓷属于微波吸收型材料,在室温条件下对微波全透明,几乎不吸收微波能量,在达到临界温度后,它们的耗损正切值(耗损因子与介电常数之比)变得很大,耗损正切值表示材料与微波的耦合能力,耗损正切值越大,材料与微波的耦合能力越强［4］.Janny.M.A等测定了高纯Al2O3陶瓷烧结过程中的活化能Ea,发现微波烧结中Ea仅为170 kJ/mol,而在常规电阻加热烧结中Ea=575 kJ/mol［5］,远远高于微波烧结的活化能,这就缩短了微波烧结的时间,降低了烧结温度,为高质量Al2O3陶瓷的快速烧结提供了基础.本文在分析上述优势背景的基础上,使用一种新型的圆柱形微波多模烧结腔体分别对纯Al2O3粉体和Al2O3/MgO混合粉体进行了烧结实验,通过对两种试样材料的烧结工艺进行对比研究,找出在较低的烧结温度和较短的烧结时间内获得纯度和微观结构良好的高质量Al2O3陶瓷的方法.1实验1.1原料及试样制备实验所用原料为市售的纯Al2O3粉,原始晶粒平均尺寸为4 μm.在成型之前,使用研钵对Al2O3粉研磨20 min后过0.15 mm（100目筛）,其目的是尽量分散研磨后得到的粉体,防止其产生较大的团聚体.MgO为市售分析纯的纳米级粉体,在成型前直接与研磨好的Al2O3粉充分混合,其中MgO粉的质量分数为0.1%.使用天津市思创精实科技发展有限公司FY24A型台式压片机在6 MPa下冷压成型,样品直径为12 mm,厚度3 mm.1.2微波烧结装置及原理微波烧结试验在新型的圆柱形微波多模烧结系统中进行,其结构如图1所示.微波源系统由主频2.45 GHz的微波连续功率源和磁控管构成,微波传输系统采用环形器水负载、BJ26标准矩形波导,微波烧结腔是微波烧结系统的核心部分,采用圆柱形多模烧结腔,如图2所示,虚线所绘制的部分是石英玻璃管,试样放置在烧结腔的中心位置,此处为电磁场分布集中区域,能够实现微波能的最大化利用.检测控制系统包括测温温度,测量微波反射功率以及气体的导入导出等,该装置的检测系统完全由计算机进行控制,可以精确地获得烧结过程中的实时数据.图1微波烧结装置结构图
Fig.1Microwave sintering device structure图2新型圆柱形多模微波烧结腔
Fig.2A new type of multimode cylindrical microwave sintering resonant cavity第4期李远,等:圆柱形微波多模烧结腔烧结Al2O3陶瓷的性能
武汉工程大学学报第33卷
1.3工艺过程Al2O3陶瓷样品制备工艺流程如图3所示.烧结工艺通过多次试验进行确定,最终工艺参数为:烧结温度1 700 ℃,保温时间40 min,升温速率为50～60 ℃/min,在空气气氛中进行烧结,保温结束后随炉冷却至室温.烧结过程中的烧结温度通过红外测温仪测量.在整个微波烧结过程中,每隔5 min记录一次数据,包括烧结温度、微波功率、状态等.图3Al2O3陶瓷样品制备工艺流程
Fig.3The technology process of Al2O3 ceramic sample1.4性能测试使用日本岛津公司的X衍射仪XD5A上对Al2O3粉末和微波烧结样品进行相组成分析.采用阿基米德排水法测试微波烧结样品的相对密度.采用DHV1000型显微维氏硬度计对样品进行硬度测定.Al2O3微波烧结样品断口形貌特征使用日本JSM5510LV型扫描电子显微镜(SEM)对其进行观察.2实验结果及分析表1是Al2O3陶瓷的烧结工艺参数.在Al2O3粉末中添加的MgO粉末起到助烧剂的作用［4］,此处主要是研究MgO粉末的加入对于烧结得到的陶瓷显微结构和性能的影响,以找出更佳的烧结工艺.烧结过程中升温时间为30 min,初始功率为200 W,平均每5 min升100 W的功率,在800 W可达1 700 ℃的烧结温度,在1 700 ℃保温40 min后可得到烧成的试样.本设备升温速度快,可以在较短的时间内达到较高的烧结温度以满足陶瓷烧结的条件.与常规烧结相比较,大大缩短了陶瓷样品烧成的时间,晶粒不易长大,容易得到显微结构和性能良好的陶瓷材料.两组样品在相同的烧结工艺中进行烧结实验,对最终得到的烧结试样显微结构和性能进行对比分析.表1Al2O3陶瓷的烧结工艺
Table 1The sintering technology of Al2O3 ceramic
样品升温时间(±10%)/min温度(±5)/℃烧结时间/min最高微波功率/WAl2O3301 70040800Al2O3+0.1%MgO301 70040800图4是高纯Al2O3和添加MgO后不同放大倍数的SEM图片,图(a)(c)和(e)为高纯Al2O3陶瓷材料分别放大200,1 000和5 000倍的SEM图片.图(b)(d)和(f)是添加了质量比为0.1%MgO的Al2O3陶瓷材料分别放大200,1 000和5 000倍的SEM图片.从图中可以看到,(a)图和(b)图相比较并无明显的区别,(a)要比(b)图平整一些.这与陶瓷断面的形状有关;从图(c)(d)中便可观察到晶体的大致形貌,高纯的Al2O3样品烧结后无明显晶形,而添加了MgO的样品烧结过后晶粒形状相对明显,晶粒分布均匀且平整度较高,图(c)表面有少量杂质,样品在测试之前经过超声清洗,杂质的出现应该是在SEM检测前镀金膜的过程中引入的;从图(e)和(f)中可以清楚观察到晶图4高纯Al2O3和添加MgO后SEM不同放大倍数的SEM图片
Fig.4Different amplified times in SEM of high purity Al2O3 and the samples add MgO as sintering agent
粒的形状,高纯的Al2O3样品烧结后晶粒平均尺寸为5 μm,添加了MgO的样品尺寸平均尺寸为4 μm,要小于前者.这是由于MgO可以抑制晶粒生长,细化了Al2O3晶粒,根据J.G.J.peele等的研究,在固溶极限以下,添加MgO主要是由于提高了点缺陷浓度,加速Al3+的晶格扩散,而当MgO的添加量增加,超过固溶极限以上时,则第二相在晶界的钉扎效应会阻碍晶粒长大［6］.在图(e)中还可观察到少量孔洞,晶粒形状大小不一.Al2O3陶瓷烧结过程中,颗粒之间只有点接触,在表面能减少的推动力下,细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界,并不断扩大晶界的面积,使坯体变得致密化,添加剂的加入会直接影响晶粒形状［7］.图(f)也存在个别晶粒异常长大现象,这可能是由于晶粒生长对温度的敏感性大于MgO对晶粒长大的抑制作用［8］.但晶粒与晶粒之间接触十分紧密,缝隙宽度明显小于图(e),气孔和裂纹都较少,这就直接影响了两个样品的致密化程度和硬度.为了验证上述分析,对烧结得到的陶瓷试样进行相对密度和维氏硬度的测定.未添加MgO烧结得到的Al2O3陶瓷相对密度为96.7%,维氏硬度达18.9 HV/GPa.添加MgO后的陶瓷试样的相对密度为97.8%,维氏硬度达22.3 HV/GPa.由测试结果可知后者的致密化程度和硬度都要高于前者,与SEM图分析结果一致.对上述两种样品进行了X射线衍射分析.通过对两种样品X射线谱线的比较发现,其X射线谱线区别不大.图5是添加MgO后烧结得到的Al2O3陶瓷的X射线衍射图谱,根据图谱中特征峰的分布可判断出主晶相为刚玉,即αAl2O3.由图中谱线还可以发现,在该谱线中没有出现与MgO对应的任何特征峰,这是由于MgO具有很强的高温挥发性,在烧结过程中会逐渐蒸发掉.图5Al2O3陶瓷的X射线衍射图谱
Fig.5XRAY diffraction of Al2O3 ceramic3结语本实验使用新型的圆柱形微波多模烧结设备进行了Al2O3陶瓷的烧结,结果表明,在该装置上可以在短时间内达到较高的烧结温度,有利于Al2O3陶瓷的快速烧结.此外,在1 700 ℃保温40 min烧结后得到的Al2O3陶瓷相对密度可达到理论密度的96.7%,维氏硬度达18.9 HV/GPa;在Al2O3粉中添加质量比0.1%的MgO粉,可以在不影响陶瓷纯度的情况下提高烧结得到的Al2O3陶瓷的致密度,其相对密度可达到理论密度的97.8%,维氏硬度达22.3 HV/GPa.