凝膠注模工藝制備閉孔多孔Al2O3基陶瓷

張曉東，袁　磊，林師峰，劉　濤，于景坤

(東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

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凝膠注模工藝制備閉孔多孔Al2O3基陶瓷

張曉東，袁磊，林師峰，劉濤，于景坤

(東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

以亞微米Al2O3粉末為原料，MgO為摻雜劑，SiC為高溫發(fā)泡劑，利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性變形能力的特點(diǎn)，采用凝膠注模工藝制備了閉孔多孔Al2O3基陶瓷.研究了不同SiC含量對(duì)Al2O3基陶瓷燒結(jié)密度、開(kāi)口氣孔率、閉口氣孔率及微觀結(jié)構(gòu)的影響，考察了Al2O3基陶瓷的物相組成及氣孔孔徑的分布和大小，并且與傳統(tǒng)的球磨混合工藝進(jìn)行了對(duì)比.研究結(jié)果表明，坯體中MgO與Al2O3反應(yīng)完全，多孔陶瓷的物相組成為Al2O3和MgAl2O4，并伴有少量的SiO2晶相存在.隨著SiC含量的增加，其燒結(jié)密度和開(kāi)口氣孔率逐漸降低，閉口氣孔率逐漸增加.與球磨混合工藝相比，凝膠注模工藝制備的Al2O3基陶瓷中閉口氣孔的孔徑大小和分布更加均勻.

凝膠注模；閉口氣孔；Al2O3基陶瓷；超塑性

閉口氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷[1]材料具有低熱傳導(dǎo)性、低介電常數(shù)、低密度等優(yōu)良特性，是良好的吸能、隔熱、抗沖擊材料，正逐漸應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、建筑及冶金等行業(yè)，是近些年的研究熱點(diǎn)之一.

由于陶瓷材料的燒結(jié)是氣孔被逐步排除的過(guò)程，因此，閉口多孔陶瓷的制備顯得尤為困難.袁磊等人[6]利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性變形能力[7]的特點(diǎn)，通過(guò)在坯體中添加SiC為高溫發(fā)泡劑，制備出了閉孔結(jié)構(gòu)的多孔Al2O3基陶瓷.鑒于SiC在坯體中的分散是影響閉口氣孔大小和分布的重要因素，有必要進(jìn)一步研究SiC在坯體中的分散問(wèn)題.凝膠注模[4,5]是利用有機(jī)單體聚合將陶瓷粉料懸浮體原位固化，隨后干燥燒結(jié)的一種可制備近終形尺寸陶瓷材料的工藝.將其引入到上述閉孔多孔Al2O3基陶瓷的制備中，由于其在液態(tài)溶液中混合各原料，可期望SiC在坯體中獲得良好的分散.

目前，關(guān)于利用凝膠注模工藝制備多孔Al2O3基陶瓷，已有諸多研究.徐鯤濠等人[2]利用凝膠注模工藝制備了氧化鋁多孔陶瓷，并研究了其力學(xué)和熱學(xué)性能；余琴仙等人[4]利用凝膠注模成型工藝制備了Al2O3陶瓷，并對(duì)陶瓷坯體的體積密度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定.但其采用的有機(jī)單體均對(duì)環(huán)境有害，而對(duì)于環(huán)境友好的有機(jī)體系凝膠注模研究較少[3]，尤其是對(duì)于閉口多孔的Al2O3基陶瓷的研究甚少.

本文采用對(duì)環(huán)境友好的水性環(huán)氧樹脂(乙二醇二縮水甘油醚)為凝膠劑，SiC為高溫發(fā)泡劑，利用Al2O3基陶瓷在高溫下具有超塑性的特點(diǎn)，制備出閉口氣孔分布較均勻的閉孔多孔Al2O3基陶瓷，并考察各因素對(duì)其性能的影響，以進(jìn)一步豐富和完善閉口多孔Al2O3基陶瓷的制備工藝.

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)所用原料為亞微米級(jí)Al2O3(粒徑≤1 μm)，SiC(粒徑≤100 nm)，MgO(分析純)，乙二醇二縮水甘油醚(有機(jī)單體)，聚乙烯亞胺(固化劑)，檸檬酸銨(分散劑)，去離子水.實(shí)驗(yàn)原料配比如表1所示.

表1　試樣原料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將原料按表1所示進(jìn)行配料、混合，倒入一定濃度的檸檬酸銨溶液中攪拌，超聲振蕩分散后制成料漿，再加入有機(jī)單體和固化劑，再次進(jìn)行超聲振蕩使其均勻.將攪拌均勻的料漿澆注至模具中并抽真空 1 h，于室溫下干燥固化脫模，再放入 80 ℃的烘箱中烘干 24 h.將干燥后的試樣放入重?zé)隣t中在空氣氣氛下按照一定的升溫制度升溫至 1 600 ℃，并保溫 6 h，隨爐冷卻后取出.

1.2分析與檢測(cè)

按GB/T 2997-2000(2004)測(cè)定試樣的體積密度和顯氣孔率，閉口氣孔率可由下式(1)計(jì)算.

(1)

式中：ρ0為體積密度，ρ為理論密度，Pa為顯氣孔率，Pc為閉口氣孔率.

練習(xí)場(chǎng)地是健美操教學(xué)與學(xué)習(xí)不能缺少的一部分，由于健美操有的動(dòng)作組合難度系數(shù)大，不易練習(xí)，為避免場(chǎng)地造成的運(yùn)動(dòng)損傷，對(duì)場(chǎng)地也有一定的要求，但目前河南省高校開(kāi)設(shè)的健美操課程中，場(chǎng)地不僅有室外教學(xué)，室內(nèi)教學(xué)，甚至還有無(wú)固定場(chǎng)地教學(xué)的現(xiàn)象；在音響方面，健美操的練習(xí)中，需要音樂(lè)的伴奏，從而體現(xiàn)出健美操的節(jié)奏美，使健美操在聽(tīng)覺(jué)與視覺(jué)中給予人享受。以上現(xiàn)象表明：河南省高校健美操的基礎(chǔ)設(shè)施并不能滿足其需求。根據(jù)鍵美操項(xiàng)目自身特點(diǎn)，教學(xué)設(shè)施缺乏不利于其開(kāi)展，因此各高校領(lǐng)導(dǎo)要加強(qiáng)重視，加大場(chǎng)館投資建設(shè)力度，保證高校健美操課的教學(xué)質(zhì)量。

利用X射線衍射分析儀(XRD)檢測(cè)材料的物相組成；采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察試樣的斷面顯微結(jié)構(gòu)并結(jié)合能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析；按GB/T21650.1-2008使用壓汞儀(AutoPour IV 9500，Micromeritrics Instrument Corporation)測(cè)定試樣的孔徑分布和氣孔平均孔徑，由于所制備的陶瓷中氣孔為閉口氣孔，因此所測(cè)試試樣每個(gè)平面均被切成斷口面，以使其閉口氣孔裸露便于測(cè)試.

2　結(jié)果與討論

2.1多孔Al2O3基陶瓷的物相組成

圖1為所制備的閉口多孔Al2O3基陶瓷的X射線衍射圖譜.從圖中可以看出，試樣中有Al2O3、MgAl2O4尖晶石和SiO2晶相，未發(fā)現(xiàn)MgO的衍射峰，這說(shuō)明添加的MgO摻雜劑全部與基體中的Al2O3反應(yīng)生成了MgAl2O4尖晶石.

圖1　多孔Al2O3基陶瓷的XRD圖譜

圖2　不同SiC含量下所制備的多孔Al2O3 基陶瓷的體積密度和相對(duì)密度

另外，SiC在高溫下氧化產(chǎn)生氣體是Al2O3基陶瓷形成閉口氣孔的主要原因，SiC氧化后必然形成硅氧化合物而存在于基體中，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在2θ=26.7°附近發(fā)現(xiàn)了少量石英的衍射峰，這表明所添加的SiC最終有部分是以SiO2的形式存在于基體中.

2.2多孔Al2O3基陶瓷的燒結(jié)密度和氣孔率

從圖2可以看出，隨著SiC含量的增加，Al2O3基陶瓷的體積密度和相對(duì)密度都顯著下降，但當(dāng)SiC添加量為1%和1.5%時(shí)，其體積密度和相對(duì)密度略有增加，究其原因認(rèn)為，當(dāng)SiC含量增多時(shí)，SiC氧化后形成了更多的硅氧化合物，其在高溫下發(fā)生了少量的液相燒結(jié)，冷卻后形成玻璃相，致使其體積密度有所增加.當(dāng)SiC含量為2%時(shí)，其體積密度和相對(duì)密度分別為3.386 g·cm-3和86.62%.導(dǎo)致其燒結(jié)密度下降的主要原因是試樣中形成了較多的氣孔，這說(shuō)明試樣中氣孔的多少是由SiC的含量所決定的.

而由圖3可見(jiàn)，隨著SiC含量的增加，顯氣孔率下降，而閉口氣孔率明顯上升.當(dāng)SiC含量達(dá)到2%時(shí)，閉口氣孔率升至10.3%左右，顯氣孔率降至0.96%左右.

圖3　不同SiC含量下所制備的多孔Al2O3基陶瓷的顯氣孔率和閉口氣孔率

2.3多孔Al2O3基陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)

圖4示出了以亞微米Al2O3粉末為原料，添加10% MgO和不同含量的SiC凝膠注模工藝和球磨混合工藝制備的多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面掃描電鏡照片.

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，氣孔形狀基本為圓形且彼此相互獨(dú)立，不與外界相通，由此可說(shuō)明該部分氣孔為閉口氣孔.隨著SiC含量的增加，可以發(fā)現(xiàn)氣孔的數(shù)量也增加，而且有些氣孔相互貫通，這主要是由于SiC含量的增加，陶瓷的閉口氣孔率增大，大量閉口氣孔的存在將在燒結(jié)的過(guò)程中相互貫通并形成相對(duì)較大的氣孔，且由于陶瓷在高溫下具有超塑性的緣故，氣體無(wú)法排出而被封閉在陶瓷內(nèi)，最終導(dǎo)致較大氣孔的產(chǎn)生.

將兩種工藝所制備的閉口多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面掃描電鏡照片進(jìn)行對(duì)比，可以明顯的看出，凝膠注模工藝所制備的多孔Al2O3基陶瓷閉口氣孔的孔徑更小，且分布更加均勻.

圖4　凝膠注模工藝和球磨混合工藝制備的多孔Al2O3基陶瓷斷口拋光面500倍掃描電鏡照片

2.4多孔Al2O3基陶瓷的氣孔大小與孔徑分布

圖5示出了添加不同含量SiC所制備的各試樣的孔徑分布圖.從圖中我們可以直觀地看出，隨著SiC含量的增加，多孔Al2O3基陶瓷的孔徑大小逐漸增大，且從表2可以得知，當(dāng)SiC含量為2%時(shí)，其平均孔徑達(dá)到14.409 μm.由此可充分說(shuō)明，多孔陶瓷中的閉口氣孔是由SiC高溫發(fā)泡所形成的，且隨著小孔徑閉口氣孔逐步增多，在陶瓷高溫超塑性的作用下，晶界逐步產(chǎn)生滑移，氣孔間也逐步?jīng)_破其晶界阻力而形成較大的氣孔.這結(jié)果也與其微觀結(jié)構(gòu)圖片相一致.

表2　各試樣的平均孔徑

3　結(jié)　論

(1)以亞微米Al2O3粉末為原料，MgO為摻雜劑，SiC為高溫發(fā)泡劑，利用凝膠注模工藝成功制備出了閉口氣孔率為10.3%，開(kāi)口氣孔率僅為0.96%的閉口多孔Al2O3基陶瓷.

(2)與普通球磨混合法相比，凝膠注模工藝制備的閉孔多孔Al2O3基陶瓷的閉孔大小和分布更均勻.

(3)隨著SiC含量的增加，多孔Al2O3基陶瓷中的閉孔孔徑逐漸增大，當(dāng)SiC含量為2%時(shí)，其平均孔徑達(dá)到14.409 μm.

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Preparation of the Al2O3-based porous ceramics with closed pores by gel-casting

Zhang Xiaodong,Yuan Lei,Lin Shifeng,Liu Tao,Yu Jingkun

(School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

By using the superplasticity of Al2O3-based ceramics at high temperature,the Al2O3-based ceramics with closed pores was prepared by gel-casting,taken submicron Al2O3powder as a raw material,MgO as a dopant and SiC as a high-temperature foaming agent.Effects of SiC on sintering density,apparent porosity,closed porosity and microstructure of the Al2O3-based porous ceramics were studied.The phase composition,pore distribution and size of the Al2O3-based porous ceramics were investigated.The authors’ method was compared with the traditional ball-milling process.The results indicated that the phase of the Al2O3-based porous ceramics is mainly composed of Al2O3and MgAl2O4with small amounts of SiO2.The sintering density and apparent porosity gradually decrease while the closed porosity increases with increase of the SiC content.The pore size and distribution of the closed pores in the ceramics are more uniform compared with those of one made by the traditional ball-milling process.

gel-casting；closed porous；Al2O3；superplasticity

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.009

TQ 174.75

A

1671-6620(2016)02-0123-05