1、中 国 陶 瓷 Vol.42 No.7 July.2006第 42 卷 第 7 期2006 年 7 月30 中国陶瓷 CHINA CERAMICS 2006(42) 第 7 期【摘 要】 : 钛酸铝陶瓷在烧结过程中会产生很多微裂纹， 难以烧成致密结构， 以锂辉石为添加剂， 其在高温时熔融为液相， 利用陶瓷晶粒在液相中的重排和粘性或塑性流动， 可获得高致密的钛酸铝陶瓷， 并通过扫描电镜对观察陶瓷的显微结构进行分析。 在钛酸铝陶瓷基体中加 10% 锂辉石 1420 保温 2 小时， 可以将材料的体积密度提高到 90.8%, 吸水率降低到 5.8% 。【关键词】 : 钛酸铝， 锂辉石， 烧结引 言一
2、般情况下， 通过完全固相扩散对绝大多数特种陶瓷物料来说是很可能获得致密制品的。 钛酸铝陶瓷(AT) 由于不同晶轴方向热膨胀系数有很大差异， 在烧结过程中会产生很多微裂纹， 降低了其致密度， 使气孔率增加而导致抗弯强度和弹性模量降低。 因此， 当烧结温度不很高时， MAT 材料难以烧成致密结构， 若能利用晶粒在液相中的重排和粘性或塑性流动， 就有可能获得较高致密的烧结陶瓷。 锂辉石 （LAS ） 是一种低膨胀材料， 高温时熔融为液相， 促进陶瓷的烧结和致密度的提高。 在冷却过程中作为粘结剂可增强晶粒间相互连接， 有助于减小钛酸铝陶瓷内应力引起的开裂程度。 因此， 在 MAT 陶瓷材料中引入锂辉石
3、将可能有助于改善陶瓷的性能。复相陶瓷材料的烧结行为要比单相材料复杂得多。 目前很多研究着眼于第二掺杂相对材料烧结性能的影响， 通过计算机模拟， 假定模型研究二相材料中的晶体生长， 其结果与实际条件下复相材料的烧结行为相差较大， 因为实际复相材料中， 第二相加入物的活性、 大小等都可能对材料的烧结产生影响。 纯钛酸铝是一种难以实现致密化烧结的陶瓷材料， 所以钛酸铝的烧结通常采用 Fe 2 O 3 ， MgO ， ZrO 2 等氧化物做添加剂 1-5 ， 这可以提高材料的机械性能， 但是对于降低烧结温度， 促使材料致密化及降低材料的抗热震性的作用不大。 因此， 采用具有低熔点、 低膨胀系数的添加剂
4、至关重要。锂辉石是一种天然矿物， 它有两种晶相存在 ： 和。 - 锂辉石是一种单斜相辉石， 在 1080 时会转化为结构更为开放的四方相 - 锂辉石 （图 1 ）。 后者的熔点为 1423 1,2,9 ， 同时伴有 30% 的体积膨胀， 其密度也由 3.2g/cm 3 转化为 2.4g/cm 3 。 - 锂辉石具有低的热膨胀系数和熔点， 可以作为陶瓷的液相烧结助剂使用。 研究中采用锂辉石做添加剂， 利用锂辉石在较低的温度下形成液相， 此液相会对钛酸铝颗粒起包裹、 润滑作用， 在一定的条件下吸收弹性应变能， 减少裂纹的形成， 同时可以降低材料的分解。 所以主要研究锂辉石对材料烧结行为、 致密化及
5、显微结构的影响。锂辉石对陶瓷烧结性能的影响曹 爱 红（ 华南理工大学， 广州 510641 ）文章编号 ： 1001-9642 （ 2006 ） 07-0030-03研究与开发收稿日期 ： 2006-4-28基金项目 ： 福建省自然科学基金 （ A0310021 ）图 1 锂辉石的晶体结构Fig.1 crystal structure of spodumene1 实 验所用主要原料是以工业纯原料氧化铝粉和化学纯二氧化钛粉按摩尔比 1 ： 1 混合后经球磨、 干燥， 然后在 1420 保温 100min 合成的氧化镁改性钛酸铝粉（ MAT ）。 以煅烧锂辉石粉为添加剂， 加入量分别是 2.5%,
6、 5%, 7.5%, 10%, 用湿法球磨 24 小时， 料球水比为 1 ： 4 ： 1 ， 干燥后半干压成型， 烘干， 然后在电炉中烧成。将烧成钛酸铝陶瓷 （ LAT ） 样品用煮沸法算出吸水率， 并按照国家标准 (GB/T29987-1982) 致密形耐火材料的体积密度 进行体积密度的测试。 计算按下式进行。 Db=DM1/(M3-M2) 其中 ： Db ： 样品的体积密度， g/cm 3 ， M1 ： 干燥试样的质量 (g) ， M2 ： 饱和试样在水中的质量 (g) ， M3 ： 饱和试样在空气中的质量 (g) ，D ： 实验温度下， 浸渍液体的密度， g/cm 3 。用美国 S 50
7、0 型扫描电子显微镜 （ SEM ） 对试样的自然断面表面形貌及断口形貌进行观察， 对表面形貌的观察， 以确定材料中的晶粒形貌、 晶界等进行中国陶瓷 CHINA CERAMICS 2006(42) 第 7 期 312006 年 第 7 期 中 国 陶 瓷显微结构分析。2 结果与讨论2.1 锂辉石对材料体积密度的影响图 2 为不同温度烧成后， LAT 试样的密度曲线。 样品分别经 1350 ， 1420 ， 1500 保温 2h 烧成样品，其密度在 62.8%-90.8% 之间变化， 从图中可以看出 ：随着锂辉石加入量的增大， LAT 样品的密度变化较大，且在不同的温度下， 样品的变化趋势不同，
8、 1500 加入少量的锂辉石 （ 5% ） 就可以使样品的密度增大 ；1420 烧成的样品密度变化最显著， 且随锂辉石加入量的变化而增加， 由未加锂辉石的 68.8% 提高到 90.8% ； 从整体上看 ： 在不同温度下， 密度随锂辉石加入量的变化比较复杂， 这是由于纯锂辉石熔点较低， 在钛酸铝陶瓷烧结过程中， 易于分解形成液相薄膜， 包铝的增加， LAT 样品的吸水率逐渐降低， 且在不同的温度下， 样品的变化速度不同， 1350 少量的锂辉石在样品中形成掺杂， 促使样品吸水率下降， 但当锂辉石含量大于 10% 时， 锂辉石的掺杂作用减小变慢。 1420烧成时， 锂辉石形成的液相分布在钛酸铝晶
9、粒较大的空隙、 气孔及晶界处， 晶粒在液相中的重排和粘性或塑性流动， 促进了致密化， 同时液相也促使 AT 晶粒继续长大， 也形成更多的微裂纹， 样品的致密度变化减缓， 吸水率下降速率降低。 但当烧成温度达到 1500已超过纯锂辉石熔点， 样品中的锂辉石迅速形成液相， 当锂辉石含量大于 10% 时， 产生的液相促使样品迅速致密， 样品的吸水率急剧下降。 但随着锂辉石含量的增加， 液相量增多， 晶粒逐渐长大， 由于钛酸铝的三个晶向上的晶胞参数相差太大， 在冷却的过程中，样品中存储大量的弹性应力， 温度降低到某一值时，晶粒无法承受最大的弹性应变能， 开始出现微裂纹，颗粒越大， 形成微裂纹的临界尺寸
10、越小， 形成的微裂纹越多 10 ， 样品的收缩率不再降低反而有所增加， 吸水率也随之而增大。 即此温度下随着锂辉石加入量的增加样品致密度先增加而后降低， 吸水率也随之变化。2.3 锂辉石含量对显微结构的影响图 4 为 1420 烧成试样未经任何处理的断口的SEM 照片， 其锂辉石加入量分别为 0 、 5% 、 10% 、 20% 。从照片知， 图 4a 中试样结构非常疏松， 内含大量气孔，粒子处于半开裂晶界上， 在断口照片中有大量的二次裂纹存在， 且断面形态呈沿晶断裂。 这说明晶界结构很弱， 裂纹扩展一触即发。 这是由于瓷体内部部分晶界开裂的结果。 图 4b 中已出现少量玻璃相 ( 液相 )
11、， 这些玻璃相的存在， 在冷却过程中吸收了因晶粒的各向异性而产生的热应力， 微裂纹数量减少 ； 进一步比较图 4 中 c ， d 两照片还可以发现样品中的锂辉石形成的大量液相分布在钛酸铝晶粒较大的空隙、 气孔及晶界处， 并不影响钛酸铝的网络结构， 且促使 AT 晶粒继续长大 ； 但锂辉石含量到 20% ， 液相量继续增多， 促使图 2 锂辉石对材料体积密度的影响Fig.2 Effect of LAS on bulk density of AT ceramicsresistance LAS the thermal resistance裹在钛酸铝颗粒的周围， 促使颗粒能快速重排， 从而使样品急剧收
12、缩， 致密化程度增加。 当锂辉石含量大于 10% 时， 1420 烧成时， 由于温度已接近纯锂辉石熔点， 样品中的锂辉石已形成大量液相， 这些液相主要分布在钛酸铝晶粒较大的空隙、 气孔及晶界处， 并不影响钛酸铝的网络结构， 而促进了致密化， 同时也促使 AT 晶粒继续长大 ； 但锂辉石含量到 20% ， 液相量继续增多， 促使颗粒快速长大， 从而使样品变得致密 ；形成的微裂纹越多， 样品的致密度趋于平缓。 而且这也是由多相材料的的性质所决定的， 对于多相材料，其理论密度可表示为 : 0 = i i ， 其中 i 和 i 分别为第 i 相的体积分数和比重 6 ， 9 。 钛酸铝、 锂辉石的比重分
13、别为 3.702 、 2.40kg/cm 3 ， 排除烧结过程致密化造成的体积收缩， 比重相对较小的锂辉石加入量越多， 使样品的体积密度相对减越小。2.2 锂辉石对材料吸水率的影响图 3 为不同温度烧成 LAT 样品的吸水率曲线。 在1350 ， 1420 ， 1500 保温 2h 烧成样品， 随着钛酸图 3 锂辉石对材料吸水率的影响Fig.3 Effect of spodumene on the waterabsorption of AT ceramics32 中国陶瓷 CHINA CERAMICS 2006(42) 第 7 期2006 年 第 7 期中 国 陶 瓷THE EFFECT OF
14、 SPODUMENE ON SINTERING OF Al 2 TiO 5 CERAMICSCao Aihong（ The school of material science and engineering, GuangZhou 510641)【 Abstract 】 :Many micro-cracks make it difficult that aluminum titanate ceramics become fine during thesintering. In this paper, b-spodumene was added as sintering helper. Beca
15、use b-spodumene would melt toliquid at high temperature, then the grain more easily move in the liquid to form fine ceramics. To agreethis theory the microstructure have been observed by SEM. By the experiment, the density of the aluminumtitanate with adding 10% b-spodumene have been developed to 90
16、.8% and water-absorption have beendepressed to 5.8% with sintering at 1420 for 2h.【 Keywords 】 :Al 2 TiO 3 ， spodumene ， sintering(a LAS 0%) (b LAS 5%)(c LAS 15%) (d LAS 20%)图 4 1420 烧结 LMAT 的 SEMFig.4 SEM micrograph of the LMAT material颗粒快速长大， 从而使样品变得致密。3 结 论钛酸铝陶瓷在烧结过程中会产生大量的微裂纹使其很难烧结。 利用锂辉石高温时熔融为液
17、相， 晶粒在液相中的重排和粘性或塑性流动， 就有可能获得较高致密的烧结陶瓷。 锂辉石作为高温粘结剂可增强晶粒间相互连接， 有助于减小钛酸铝陶瓷内应力引起的开裂程度 ； 随着锂辉石加入量的增加， 样品的致密度增加， 吸水率随之降低。 在 MAT 基体中加 10% 锂辉石 1420 保温 2 小时， 可以将材料的体积密度提高到 90.8% 。参 考 文 献1 江伟辉， 肖兴成 . 不同添加剂对钛酸铝热膨胀系数影响的研究J. 无机材料学报 .2000, 15(3) ： 37 40.2Uribe,R., Baud n,C. Sub-micron sized Al 2 TiO 5powders prep
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19、icrowave dielectriccharacteristics of glass-added (1-x)Al 2 O 3 -xTiO 2 ceramicsJ. J Appl. Phys 2002 ， 41(12) ： 7422 74255 Fonseca, AP, Baptista. Effect of stoichiometry andsintering temperature in the development of Al 2 TiO 5 phaseJ J Am. Ceram.Soc. 2003 ， 42 (2) ： 65 686 曹爱红 . 微波干燥制备 Al 2 O 3 纳米粉
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