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如何提高Al2O3陶瓷的抗热震性?
2022年04月07日    阅读量:20963    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

氧化铝基陶瓷具有熔点高、强度大、耐磨损、耐腐蚀等性能,被广泛应用于冶金、机械、航空、航天等领域,但Al2O3陶瓷的抗热震性较差,材料经300℃温差单次热震后的强度保持率仅约为22%,因而限制了其应用领域,在实际应用中Al2O3陶瓷材料的抗热震性能起着决定性作用。小编结合目前国内研究者文献报道,简述提高Al2O3陶瓷的抗热震性能的方法。


一、Al2O3陶瓷抗热震性能影响因素

Al2O3陶瓷抗热震性能影响因素主要有微观结构特征、陶瓷的表面状况和几何尺寸中国建材网cnprofit.com


1、Al2O3陶瓷微观结构的影响

Al2O3陶瓷的微观结构特征,如晶粒尺寸、微裂纹、气孔率和气孔分布等,都会对其抗热震性能产生重要影响。以晶粒尺寸为例,对于致密度高的Al2O3陶瓷而言,在小晶粒范围内细晶粒的Al2O3陶瓷具有较好的抗热震性能;在大晶粒范围内粗晶粒的Al2O3陶瓷具有较好的抗热震性能。目前研究者认为:10μm为Al2O3粗细晶粒的界线。


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图1热压烧结Al2O3陶瓷细晶粒尺寸的微观结构SEM图片


此外,氧化铝陶瓷中气孔非均匀分布对陶瓷强度和杨氏模量的降低程度大于陶瓷中气孔均匀分布造成的影响。而陶瓷自身存在的微裂纹在热震环境中亦非总是立即导致材料断裂,这往往也是由热震裂纹核受到气孔抑制引起的。适量微裂纹的存在可通过微裂纹增韧机制提高陶瓷的韧性,进而提高Al2O3陶瓷的抗热震性。


2.表面状况的影响

Al2O3陶瓷在使用前通常需要采用一些机械加工方法处理表面,如磨削、抛光、铣削等,导致表面粗糙度发生变化。Al2O3陶瓷表面分别经磨削和抛光处理后的抗热震性能,结果发现表面经磨削处理后的Al2O3陶瓷具有更佳的抗热震性,经磨削和抛光处理后Al2O3陶瓷的临界热震温差分别为235℃和185℃。这是由于磨削表面上较高的初始缺陷密度允许热冲击产生的弹性能分布在更多的裂纹上,每个裂纹的延伸量相对较小。


3.几何尺寸的影响

Al2O3陶瓷的抗热震性还受到陶瓷几何尺寸的影响。通常降低陶瓷厚度可以提高陶瓷的临界热震温差,这主要是由于弯曲应力产生内部弯曲冲量所致。


例如:采用不同测试方法测试不同厚度Al2O3陶瓷的抗热震性,利用氢氧火焰加热陶瓷一个表面,同时将另一表面放入淬火介质中冷却,结果发现当陶瓷厚度从2mm增加到6mm时,陶瓷失效温度由342℃升高到700℃,即陶瓷越厚,抗热震性越好。从陶瓷厚度对抗热震性能的影响角度来看,整体拉伸应力随着陶瓷厚度的增加而降低,陶瓷厚度的增加要求更高的热震温差以防引发失效。

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图2不同几何尺寸氧化铝陶瓷


二、提高Al2O3陶瓷的抗热震性能的措施


1、第二相法提高Al2O3陶瓷抗热震性

为了提高Al2O3陶瓷的抗热震性能,在Al2O3陶瓷基体中引入适当、适量的第二相是一种有效方法,引入的第二相既可以是非金属材料,又可以为金属材料,引入形式既可是颗粒,也可是晶须、纤维或溶胶。


①引入ZrO2


ZrO2添加到Al2O3陶瓷中,可以提高陶瓷的抗热震性、抗弯强度和断裂韧性。第二相颗粒弥散强化、四方ZrO2应力诱导相变增韧和微裂纹增韧是提高Al2O3陶瓷力学性能的主要机理。

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图3不同ZrO2添加量下Al2O3抗热震陶瓷的SEM图片


添加不同含量ZrO2后Al2O3陶瓷的抗热震性能,如下表所示。

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②引入稀土化合物


稀土化合物常常作为添加剂应用在Al2O3陶瓷中,应用最多的是稀土氧化物,其次为稀土卤化物。由于稀土氧化物具有特殊的物理和化学性能,故已被用于提高Al2O3陶瓷性能方面。


以添加CeO2为例,当添加CeO2的质量分数为1%时,Al2O3陶瓷经200~600℃热震温差(水冷)后的抗热震性能最佳。一方面,添加CeO2能够增加Al2O3陶瓷的断裂韧性;另一方面,当CeO2添加量为1.5%时,陶瓷的气孔率为1.16%,而当CeO2添加量为1%时,陶瓷的气孔率为4.18%,适量的气孔率不仅可以钝化裂纹尖端、减少应力集中,而且还能起到隔热作用,从而提高了陶瓷的抗热震性。因此,添加CeO2提高Al2O3陶瓷抗热震性的原因可以归结于增韧和适当气孔的协同作用,主要贡献者为增韧作用,但气孔也会影响其抗热震性。添加不同稀土化合物后Al2O3陶瓷的抗热震性能,见下表。


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2、添加低热膨胀系数组元

在Al2O3陶瓷中添加堇青石、莫来石、红柱石、钛酸铝、锂霞石等具有较低热膨胀系数或负膨胀系数的组元,可以降低陶瓷的热膨胀系数,从而有利于提高陶瓷的抗热震性。


堇青石是一种具有较低热膨胀系数的矿物材料,堇青石可采用天然矿物高温固相反应法、高纯氧化物高温固相反应合成法、工业或农业废料合成法和溶胶凝胶法和低温燃烧合成法等制备,被广泛应用于结构陶瓷、耐火材料、多孔材料、介电材料、红外材料和电子封装材料等领域。


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图4含有10%堇青石的Al2O3抗热震陶瓷的SEM图片


将堇青石添加到Al2O3陶瓷中,可以降低材料的热膨胀系数,从而提高Al2O3陶瓷的抗热震性能。研究发现,Al2O3-堇青石陶瓷在1230~1280℃烧成温度范围内,热导率随烧成温度的升高而增大,这与陶瓷致密度随烧成温度的升高而增大有关.气体热容比Al2O3晶体热容低,且会使声子发生散射,因而随着烧成温度的升高,气孔减少,热导率提高.Al2O3-堇青石陶瓷经过10次800℃热震温差(水冷)和40次600℃热震温差(水冷)测试后,陶瓷尚未开裂。

添加不同低热膨胀系数组元后Al2O3陶瓷的抗热震性能,见下表:

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3、添加高热导率组元

Al2O3陶瓷中添加SiC、金属颗粒等具有较高热导率的组元,可提高陶瓷热导率,减小陶瓷在淬冷过程中的瞬间温度梯度,从而减小陶瓷经历热震循环后受到的热应力,有利于提高陶瓷的抗热震性。


①SiC

SiC热导率大于Al2O3,且热膨胀系数小于Al2O3,因而将SiC添加到Al2O3陶瓷中,理论上可以降低陶瓷的热膨胀系数并提高其热导率。SiC多以纳米颗粒或晶须形式加入到Al2O3陶瓷中。研究发现添加体积分数为5%的SiC能够显著提高陶瓷的抗热震性,Al2O3陶瓷的临界热震温差由70℃提高至185℃。


②金属


金属通常具有较高的热导率和韧性,引入到Al2O3陶瓷中,不仅可以通过提高陶瓷的热导率缓解热应力,还能通过多种方式阻碍裂纹扩展,具体方式包括裂纹偏转、钝化、钉扎以及金属颗粒的拔出等,从而提高陶瓷的力学性能。


Mo颗粒的添加量(体积分数为10%和20%)和颗粒尺寸(0.56和10μm)对Al2O3陶瓷抗热震性能的影响,结果表明添加体积分数为20%且尺为10μm的Mo颗粒能够提高陶瓷的抗弯强度、断裂韧性和热导率,减小陶瓷的弹性模量、热膨胀系数和热应力强度因子,同时可以细化陶瓷晶粒。金属Mo颗粒桥接是提高Al2O3陶瓷韧性和抗热震性的主要原因。Mo颗粒的引入能够使Al2O3陶瓷的临界热震温差由200℃提高到450℃。


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图5含有Mo颗粒Al2O3陶瓷中的裂纹扩展


4、制备多孔结构

多孔Al2O3陶瓷除了具有Al2O3陶瓷的特点外,还具有开口气孔率高的特性,可用作催化剂载体、过滤材料、热交换器、热绝缘体和生物医学植入物等。


研究发现随着孔隙率的增加,陶瓷的室温抗弯强度逐渐降低,但多孔陶瓷的临界热震温差和残余抗弯强度则随着气孔率的增加而增大。当气孔率为6%时,多孔Al2O3陶瓷的临界热震温差和残余抗弯强度分别为200℃和15MPa(ΔT=700℃);而当气孔率大于43%时,多孔陶瓷的临界热震温差和残余抗弯强度分别为400℃和21MPa(ΔT=800℃)。多孔Al2O3-ZrO2陶瓷抗热震性的提高是由于孔隙的存在能够有效缓解热冲击应力,有效阻止了微裂纹的扩展。

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图6 多孔Al2O3陶瓷热震前后的SEM图片(左图:热震前;右图:热震后)




参考文献:


1、陈蓓,丁培道,程川等,Al2O3+ ZrO2层状复合陶瓷的表面抗裂纹行为及抗热震性能,硅酸盐学报。


2、汪霖. 氧化铝陶瓷抗热震性研究,中科院上海硅酸盐研究所。


饶平根,吴建青,叶建东等, 添加氧化锆对氧化铝陶瓷的性能的影响,兵器材料科学与工程。


3、谢华生,李玲,李汉锟,稀土氧化物对铸造用纳米氧化铝陶瓷化涂层显微组织及性能的影响,铸造。


4、张巍,韩亚苓,潘斌斌,堇青石的合成工艺研究及结构特征,陶瓷学报。


标签:今日头条建材应用技术中心成品材料瓷砖陶瓷
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