1. 研究目的与意义
1.1 研究背景
陶瓷是我国的伟大发明之一,从陶器到瓷器经历了一个漫长的历史发展时期,是人类对陶瓷制备科学与技术逐步认识的过程。然而,从传统陶瓷到近代的先进陶瓷,则是工业革命和科学技术进步的产物。
先进陶瓷包括结构陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基复合材料。结构陶瓷主要是利用陶瓷材料的力学性能、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和化学性质稳定等特征,用于制备各种结构部件,如发动机零部件、切削刀具、磨料磨具、轴承、阀门、喷嘴、药具材料、催化剂载体等。
工程结构陶瓷是陶瓷材料的重要分支,它以耐高温、高强度、耐磨损、超硬度、抗腐蚀等机械力学和化学性能为主要特征,广泛应用于机械、电了、航空航天、生物工程领域,约占整个陶瓷市场的25%。
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先进的结构陶瓷,已经逐步成为航空航天、新能源、电子信息、汽车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料[1]。
根据材料的化学组成,高性能结构陶瓷又分为氧化物陶瓷（如Al2O3、ZrO2）、氮化物陶瓷（如Si3N4、AlN）、碳化物陶瓷（如SiC、TiC）、硼化物陶瓷（如TiB2、ZrB2）、硅化物陶瓷（如MoSi2）及其他新型结构陶瓷[2]。
表1 一些陶瓷基本性能的比较
| 名称 | 硬度kg/mm2 | 强度kg/cm2 | 熔点℃ | 热膨胀系数×10-6/℃ | |
| 抗折 | 抗压 | ||||
| Al2O3 | 2100-2500 | 3000-4000 | 28000-35000 | 2050 | 6-9 |
| MgO | 600-900 | 1600-2800 | 5000-6000 | 2800 | 11-15 |
| SiO2 | 800-950 | 700-1700 | 20000 | 1610 | 17-30 |
| TiO2 | 1000 | 500-10000 | 2800-8400 | 1840 | 7-9 |
| 氮化硅 | 1700 |
| 5000-8000 | 1900 | 2-3 |
| 莫来石 | 700-1400 | 1100-1900 | 4000-6000 | 1830 | 4.5-5.5 |
宋久鹏，柳葆生[3]对温度对氧化铝陶瓷烧结的影响曾做过分析，采用了法Femto-ST 研究所应用力学实验室, 贝桑松的实验结果[4]，采用不同的升温速率, 在膨胀计中对脱脂后的氧化铝粉末射成形坯件进行一系列的烧结试验。结果表明,烧结致密化过程主要发生在升温阶段,快速升温有利于致密化的进行和抑止晶粒长大,但由于烧结时间较短和烧结炉最高温度的限制,产品的最终致密化程度不高。在低温时快速升温,高温时缓慢加热,可以获得较好的致密化效果和微观结构。试验和分析结果将为建立非等温烧结模型和烧结工艺参数的优化方法提供依据。
氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉(α-Al2O3)为主晶相的陶瓷材料。因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，氧化铝陶瓷已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航天等行业，成为目前世界上用量最大的特种陶瓷材料之一。然而，由于氧化铝熔点高达2050℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高 （参见表2中标准烧结温度），从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具，这在一定程度上限制了它的生产和更广泛的应用。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。目前，对氧化铝陶瓷低温烧结技术的研究工作已很广泛和深入，从75瓷到99瓷都有系统的研究，业已取得显著成效。表2是已实现的各类氧化铝陶瓷低温烧结情况。
表2 氧化铝陶瓷低温烧结情况
|
| 75瓷 | 85瓷 | 90瓷 | 95瓷 | 99瓷 |
| 标准烧结温度（℃） | 1400 | 1500 | 1600 | 1650 | 1750 |
| 低温烧结温度（℃） | 1300 | 1360 | 1430 | 1450 | 1550 |
2. 研究内容和预期目标
2.1 主要研究内容
主要的研究内容有：
（1）氧化铝材料的成型
3. 研究的方法与步骤
3.1 研究方法
（1）正交试验设计
选用两种烧结助剂相结合来降低氧化铝陶瓷的烧结温度 ,使其既能与氧化铝形成固熔体,又能生成液相 ,这样降低了氧化铝陶瓷的烧结活化能, 进一步促进氧化铝陶瓷的烧结。选用三因素三水平的正交试验[5]来找出添加剂的含量和烧结温度对氧化铝陶瓷相对密度的影响规律, 及其对氧化铝陶瓷烧结性能的影响; 获得对试验指标影响最大的因素,以及外加剂的大概含量。试验设计如表3。
表3 正交试验设计
| 试样号 | CMS质量分数/% | TiO2质量分数/% | 温度/℃ | 相对密度/% |
| 1 | 6 | 0.5 | 1350 | 98.09 |
| 2 | 6 | 1 | 1400 | 98.71 |
| 3 | 6 | 1.5 | 1450 | 96.34 |
| 4 | 8 | 0.5 | 1400 | 96.65 |
| 5 | 8 | 1 | 1450 | 97.02 |
| 6 | 8 | 1.5 | 1350 | 96.21 |
| 7 | 10 | 0.5 | 1450 | 95.92 |
| 8 | 10 | 1 | 1350 | 95.23 |
| 9 | 10 | 1.5 | 1400 | 95.72 |
（2）成型
陶瓷材料成型就是将陶瓷粉料加工制备成具有一定形状和尺寸的毛坯，其目的是为了得到内部均匀和密度高的素坯，成型工艺已成为获得高性能制品的关键之一。实验采用干法成型，注浆，将一定量的有机添加剂加入粉料，而后注入模具，依靠外压而使之成型的。其技术关键是粘结剂、润滑剂和分散剂等有机添加剂的选择和粉末的加工，制作出具有最密填充粒径分布的粉末和最佳粒度分布的颗粒。干压成型的压力一般不大于200MPa。将浆料快速搅拌后注入模具,使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构,从而使液态浆料转变成固态坯体,常温下浆料固化形成凝胶。脱模后干燥脱脂和烧结致密化后即得到所需的陶瓷。由于压力的径、轴向分布不均匀，干压素坯常常出现分层、局部剥离等缺陷，此外还常产生开裂、密度不均匀、粘膜等缺陷。
（3）脱粘
凝胶注模成型的坯体在烧结前要进行预烧脱粘,排除坯体中的有机添加剂，并对坯体进行热重分析，由分析即可知添加的有机物开始分解的温度, 在烧结过程中,随着烧烧结时间的延长,烧结体逐渐致密化,晶粒逐渐生长,尤其是在高温阶段,晶粒生长得很快,烧结时间适当延长有助于晶粒生长和致密度的增加,以及改善显微结构,这对于提高性能是有利的。如果烧结时保温时间过长,一方面会导致烧结体中产生过多的液相,不利于烧结体的致密化;另一方面会使烧结体中的晶粒过分生长,这两个因素都会造成材料力学性能的下降。
4）烧结
次实验采用干压法烧结氧化铝陶瓷。一种或者多种固体金属、氧化物、氮化物、粘土等粉末经过成型,当加热到一定温度后便开始收缩,在低于熔点温度下即变成致密、坚硬的烧结体,这过程称为烧结。在烧结过程中粉体发生了一系列的物理和化学变化,主要是颗粒中心逼近如图逐渐形成晶界气孔形状变化体积缩小从连通气孔逐渐变成各自孤立的气孔并逐渐缩小,以致最后大部分甚至全部气孔从晶体中排除,这就是烧结所包含的物理过程。合理选择烧结制度可以使烧结后材料具有较优的结构和性能,满足实验或生产的需要。
1）烧结温度
烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。在晶体中晶格能愈大,离子结合也愈牢固,离子的扩散也愈困难,所需烧结温度也就愈高。固相烧结中,烧结温度低于所有组元的熔点液相烧结中,烧结温度介于低熔点组元和高熔点组元的熔点之间。烧结温度高直接影响晶粒尺寸、液相的组成与数量以及少数晶粒猛增,破坏组织结构的均匀性,降低制品的性能。此外,还会增加能源损耗,降低效率。比如,氧化铝熔点高达℃,导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高,常压下普通烧结必须烧至℃以上,至少也要达到左右,且氧化铝纯度越高烧结温度也越高,从而使得氧化铝陶瓷的制造需要使用高温发热体或高质量的燃料以及高级耐火材料作窑炉和窑具,造成成本大大提高,这在一定程度上也就限制了它的生产和更广泛的应用。因此,降低氧化铝陶瓷的烧结温度,降低能耗,缩短烧成周期,减少窑炉和窑具损耗,从而降低生产成本,一直是企业所关心和急需解决的重要课题。本实验采用注浆成型，通过添加复相添加剂，使氧化铝陶瓷的烧结温度降低。
2）保温时间
一定的保温时间有利于烧结体中气孔消失和物质传输的致密化过程,但保温时间过长会使晶粒粗化,降低性能,同时保温时间对烧结的影响远不及烧结温度的影响,另外,保温时间过长可使晶粒过分长大或发生二次重结晶。本实验所用保温时间为1小时。
3）升温速度和冷却速度
由烧结机理可知,只有体积扩散导致坯体致密化,表面扩散只能改变气孔形状而不能引起颗粒中心距的逼近,因此不出现致密化过程。在烧结高温阶段主要以体积扩散为主,而在低温阶段以表面扩散为主。如果材料的烧结在低温时间较长,不仅不引起致密化反而会因表面扩散改变了气孔而给制品性能带来了损害。从理论上分析应尽可能快地从低温升到高温以创造体积扩散的条件。高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法,但还要结合考虑材料的传热系数、二次再结晶温度、扩散系数等各种因素,合理制定烧结制度。
4. 参考文献
[1]．郭景坤中国先进陶瓷研究及其展望材料研究学报,1997,11(6):594~600
[2]．肖汉宁,高朋召著高性能结构陶瓷及其应用,2006:18
[3]. 宋久鹏，柳葆 升温速率对氧化铝粉末烧结行为的影响.材料导报 2007年3月第21卷第3期
5. 计划与进度安排
第一阶段（第1～5周）：2月29日～3月27日
文献检索，论文开题，写出开题报告；
第二阶段（第6～9周）：3月28日～4月24日
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