SiC顆粒彌散快速熱壓燒結(jié)Al2O3、ZrO2材料的研究

周耀，莫青誼，江夏

研究與探討

SiC顆粒彌散快速熱壓燒結(jié)Al2O3、ZrO2材料的研究

周耀，莫青誼，江夏

（佛山市陶瓷研究所有限公司，佛山 528031）

本文在Al2O3、ZrO2原料中摻加入10wt%的高純SiC粉，進(jìn)行快速熱壓燒結(jié)，得到完整的致密無孔的制品。其各自的力學(xué)性能與相應(yīng)無壓燒結(jié)的制品相比有一定程度的提高。通過SEM分析內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，SiC是以顆粒彌散方式分布于制品內(nèi)部，SiC的加入改善了材料的熱性能，如：熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等，使制品能快速燒結(jié)而不開裂。

Al2O3；ZrO2；SiC；顆粒彌散；熱壓燒結(jié)

1 前言

Al2O3、ZrO2是目前得到廣泛應(yīng)用的工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料，這兩種陶瓷材料具有良好的機(jī)械力學(xué)性能，如：高硬度、高抗折強(qiáng)度，以及耐高溫、耐腐蝕等，可作為耐磨軸、套、閥、密封件等多種用途。由于Al2O3、ZrO2屬離子鍵化合物，在正?？諝鈼l件下高溫較易燒結(jié)，所以，制備生產(chǎn)這兩種陶瓷產(chǎn)品的燒結(jié)過程大部分是在空氣氣氛中經(jīng)無壓燒結(jié)而成。只是在制備透明Al2O3產(chǎn)品時較多使用氫氣氣氛。對于這兩種材料，正常的空氣氣氛無壓燒結(jié)就可以得到接近理論密度的產(chǎn)品。如：99 Al2O3的密度可達(dá)到3.9 g/cm3左右，3Y-ZrO2制品密度可達(dá)到6.0 g/cm3左右。

在有些高端用途，如：工業(yè)刀具、耐磨軸等，為進(jìn)一步提高材料的密度、硬度等指標(biāo)，完全消除制品的內(nèi)部封閉氣孔等缺陷，提高使用壽命，可采用熱壓方式對Al2O3、ZrO2材料進(jìn)行燒結(jié)。考慮到這兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)較高（8～10×10-6/℃），而熱導(dǎo)率不高（20～40 W/m·K），與熱壓爐內(nèi)的石墨材質(zhì)配件和石墨模具有較大差異。因此，在熱壓燒結(jié)時，需調(diào)整好工藝參數(shù)，延長升降溫時間，延長燒成周期。這樣一方面降低了效率；另一方面因熱壓本身的特點(diǎn)易造成材料內(nèi)部的應(yīng)力不均，影響制品的質(zhì)量。本文嘗試在原料中加入具有高熱導(dǎo)率、高硬度的SiC組分來進(jìn)行改性，期望能提高產(chǎn)品的性能和加快熱壓燒結(jié)過程。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料Al2O3、ZrO2均為國產(chǎn)，SiC為德國進(jìn)口。其純度、粒度如表1所示。

表1 原料參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝

按90wt%Al2O3+10wt%SiC和90%ZrO2+10%SiC的配方比例配制原料，加入80%無水乙醇，放入尼龍球磨罐中，球磨介質(zhì)使用99.9%純度的Φ10mm和Φ5mm Al2O3球，滾動球磨48 h后出漿干燥，預(yù)壓裝入石墨模具中，進(jìn)行熱壓燒結(jié)。最高燒成溫度分別為1650℃和1500℃，保溫1 h，最高壓力為20 MPa。圖1為熱壓燒結(jié)溫度曲線。整個熱壓燒結(jié)周期為5h，制備得到的樣品完整無裂。

圖1 熱壓燒結(jié)Al2O3、ZrO2溫度曲線

為了與熱壓燒結(jié)作對比，對Al2O3、ZrO2材料作無壓空氣氣氛燒結(jié)試驗(yàn)。Al2O3噴霧粉和ZrO2噴霧粉均經(jīng)過干壓等靜壓，等靜壓壓力為150 MPa。最高燒成溫度分別為1700℃和1500℃，保溫為2 h。整個燒成周期為28 h。圖2為無壓燒成曲線。

圖2 無壓燒結(jié)Al2O3、ZrO2溫度曲線

2.3 試樣性能測試方法

無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)完成后，將樣品加工成3 mm×4 mm×40 mm的拋光試條，每一種類分別用5件樣品作抗折強(qiáng)度測試、5件作硬度測試、5件用切口梁法作斷裂韌性測試，取各自的平均值作為表征數(shù)據(jù)。同時，用排水法測試密度，用掃描電子顯微鏡（SEM）測試斷口表面形貌。

3 結(jié)果分析與討論

表2 無壓與熱壓燒結(jié)Al2O3、ZrO2材料力學(xué)性能

3.1 樣品的力學(xué)性能分析

表2為試驗(yàn)的各種材質(zhì)在無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)下的力學(xué)性能參數(shù)，包括吸水率、密度、硬度、抗折強(qiáng)度和斷裂韌性。

實(shí)驗(yàn)表明：對于無壓燒結(jié)Al2O3，純度提高，其各性能參數(shù)均有較明顯的提高。摻入SiC組分后，由于SiC的密度明顯比Al2O3的低，總體密度有明顯下降。但其力學(xué)性能，如：硬度、強(qiáng)度、韌性值等均比兩種無壓Al2O3的性能數(shù)據(jù)高。同樣，在ZrO2中摻入SiC組分后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，密度明顯下降，其力學(xué)性能則有較明顯提高。力學(xué)性能數(shù)據(jù)的提高主要得益于熱壓燒結(jié)工藝以及SiC的摻入。通過熱壓燒結(jié)，可以加快材料的致密化速率和致密化程度，即一方面可以縮短燒結(jié)時間；另一方面又可以進(jìn)一步消除內(nèi)部空隙，達(dá)到更完全的致密化。

SiC為強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，無壓低溫下難以燒結(jié)，也難與其它化合物發(fā)生固相反應(yīng)。在熱壓條件下，通過外加壓力在Al2O3、ZrO2粒子發(fā)生高溫蠕變時，將SiC粒子包裹，使SiC粒子以顆粒彌散狀態(tài)存在于Al2O3、ZrO2制品內(nèi)部，達(dá)到致密化。這樣，一方面使材料致密；另一方面又充分發(fā)揮SiC熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，在短時間內(nèi)完成升溫降溫的燒結(jié)過程，制品完整無裂。

3.2 樣品的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3～圖7為1#～5#材料的SEM斷口表面形貌。

從圖3～圖5中可以看出，無壓燒結(jié)的Al2O3、ZrO2微觀結(jié)構(gòu)均勻致密，僅僅存在少量微小的內(nèi)部封閉氣孔。與熱壓燒結(jié)相比，無壓燒結(jié)Al2O3和ZrO2的晶粒有明顯增大。 從圖6～圖7中可明顯看到，較大的SiC粒子以顆粒彌散的方式分布于材料內(nèi)部，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)非常致密。一方面提高了材料的力學(xué)性能；另一方面發(fā)揮出了SiC優(yōu)良的熱學(xué)性能，利于快速燒結(jié)出完整的制品。

圖3 99Al2O3無壓燒結(jié)SEM圖

圖4 99.8Al2O3無壓燒結(jié)SEM圖

圖5 ZrO2無壓燒結(jié)SEM圖

圖6 熱壓燒結(jié)Al2O3+SiC SEM圖

圖7 熱壓燒結(jié)ZrO2+SiC SEM圖

4 結(jié)論

（1）摻加SiC的Al2O3、ZrO2材料可以快速熱壓燒結(jié)得到完整無裂的制品，其力學(xué)性能比無壓燒結(jié)的材料有一定程度的提高。

（2）熱壓燒結(jié)可以使含SiC的Al2O3、ZrO2材料燒結(jié)致密化，SiC以顆粒彌散的方式存在于制品內(nèi)部，發(fā)揮出SiC的優(yōu)異熱學(xué)性能，短時間內(nèi)可燒結(jié)出完整的制品。