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    納米氧化鋁粉和a型氧化鋁板晶顆粒可以改善氧化鋁陶瓷的強度和韌性

    發布日期:2014年12月18日

    本文旨在開發一種用于特定環境下的氧化鋁陶瓷電連接器.該陶瓷電連接器既要有足夠的強度及韌性,以滿足振動環境下的力學性能要求,也要符合相應的電絕緣性及尺寸要求,氧化鋁陶瓷以其具有的硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優良性能,廣泛應用于各工業領域.同時,氧化鋁陶瓷還有原料來源廣、價格相對便宜的特點,一直受到人們的重視.但作為結構陶瓷來講,因其存在脆性大、均勻性差、韌性較差等缺點而在有些方面的應用還受到限制.目前,已開發出多種增韌方式,例如納米增韌、纖維增韌、顆粒增韌、相變增韌等.納米物質因具有較強的小尺寸效應、表面效應,使得晶粒的表面能增加,燒結活性增強,添加納米物質可以使材料顯微結構均勻一致,顯著地降低燒結溫度,提高致密度,極大地改善材料的力學性能,得到性能優良的Al2O3陶瓷.近年來,隨著納米技術的應用,納米增韌成為解決Al2O3陶瓷韌性差的一種常用方式。同時,為進一步提高材料性能,在微米氧化鋁粉中添加了少量的a型板晶Al2O3顆粒,也作為一種提高Al2O3陶瓷強度及韌性的有效途徑。

    1實驗

    1.1原料選擇及配料

    實驗采用a-Al203作為基質材料,其基本性能見表1.
    表1

    為了降低燒結溫庋,選用La203、Mg0等氧化物作為添加劑;為了提高材料的力學性能,以a型納米Al2O3和a型板晶Al203作為增強、增韌劑.La2O3、Mg0均為分析純化學試劑,a型納米Al2O3粒徑為50~80nm,Al2O3的質量分數>99.5%.板晶Al2O3尺寸為6~10μm,其徑厚比為6:1。

    納米增強是在微米氧化鋁粉中添加納米氧化鋁粉并進行復合,從而提高材料的抗彎強度和斷裂韌性,也可改善材料的高溫性能,微米級橋連增韌,是選用一定粒徑的板晶氧化鋁將其引入到Al203基質中作為增強劑,通過板晶對其周圍的裂紋進行橋聯使裂紋的兩個面產生向內的閉合力,抑制裂紋的擴展,從而提高材料的強度和斷裂韌性;同時,也使材料具有較好的抗熱震性能.選擇第二相顆粒的前提條件是不能給基質材料的電絕緣性能帶來不利影響,因此,對于納米和板晶材料應選用同質的Al203材料.

    實驗選擇氧化鋁陶瓷作為基質材料,采用納米增強和微米級板晶橋連增韌相復合的方法,對氧化鋁陶瓷基質材料進行增強增韌處理.其試樣配方見表2。
    表2

    1.2材料制備工藝流程

    材料制備的工藝流程見圖1。
    圖1

    1.3試樣制備

    1.3.1原料混合

    a-Al2O3基質材料與添加劑按設計比例進行配比后,要與分散好的a-納米Al203料漿一起放入攪拌球磨機中進行研磨和混合;為了讓料漿具有較好的流動性和造粒后的粉料具有成形性能,在研磨前還要在配合料中加入少量的分散劑和黏結劑.在研磨混料工藝中,料:水:球的質量比為1:0.7~0.8):2—3.為防止板晶被磨得過細而破壞板晶的結構,在研磨結束前10min才向配合料中放入板晶,球磨時間由出磨后料漿粒度來決定,配合料漿粒度為D50=1.0μm粒徑小于1.0μm的顆粒占50%).

    納米顆粒的分散是決定納米增強效果的主要因素.因此,納米分散料漿的制備是一個比較重要的環節.首先要將納米料漿配成較低的濃度,其中,料與水的質量比為1:2,同時還要加入表面改性劑對納米Al203進行表面處理,使納米顆粒更好地分散.

    經分散的納米料漿與配合料中的其他原料一起,在攪拌球磨中經物理攪拌混合后,在表面活性劑的作用下,均勻分散在微米顆粒中.料漿出磨后,再采用超聲波分散,利用超聲空化時產生的局部高溫高壓或強沖擊波和微射流等,可大幅度地弱化納米粒子間的作用力,有效地防止納米粒子團聚而使之充分分散.從而,制備出相對理想的配合料料漿.

    1.3.2噴霧造粒

    坯體成形采用干壓成形的方法,為滿足成形要求,采用噴霧造粒方式制備顆粒,因其具有良好的流動性,易于填充模具.合理的顆粒級配保證緊密堆積,顆粒既易于破壞又具有一定的強度,同時使干壓制品具有一定的強度.

    采用二流體噴霧造粒方式.為了得到合格的造粒粉料,必須合理地控制好噴霧造粒的相關參數.如果進口溫度高于300℃,一方面黏結劑的損耗大,降低了素坯強度;另一方面,使顆粒表面形成硬殼,不利于成形,影響后期燒結.出口溫度應控制在1100C以上,若溫度過低,顆粒水分大,會影響流動性和成形性能,并造成漿料粘壁.二次空氣壓力必須控制得當,壓力大小都將影響顆粒級配.二流體相關工藝參數見表3。
    表3

    造粒后粉料顆粒的松散密度為1.0~1.2g/cm3,平均粒徑為160μm,流動性11s,能夠滿足成形要求。
    表4

    1.3.3成形

    在實驗過程中,成形工藝一般采用兩種方法:熱壓鑄成形和干壓成形.對于熱壓鑄成形,要求干法研磨混料,因為在配合料中含有納米和板晶材料,難以將配合料混合均勻,導致燒成后的制品產生缺陷,而降低制品的強度和韌性.此外,含有納米粉和板晶的配合料和蠟后流動性較差,不利于熱壓鑄成形,因此,采用了干壓成形方法。

    首先,要根據材料的收縮率來確定干壓模具的尺寸,因電連接器的尺寸較小,模具采用一模四腔,對于多腔模具要求模具制作精度和安裝精度較高,電連接器為非閉合環形形狀,因此要選擇合適的成形壓力保證其成形,干壓成形壓力為150~200MPa.成形過程是保證電連接器最終尺寸精度的關鍵過程.在這個過程中,要注意以下兩個環節:

    (1)每次使用具有相同松散密度的同一批粉料;

    (2)每次成形選擇相同的成形壓力.只有這樣才能保證素坯尺寸及燒結后成品尺寸的穩定性.

    1.3.4干燥和燒結

    成形后的制品內還有少量水分,如不干燥,直接放入爐中,燒結后的制品會產生開裂現象.同時,干燥過程能增加素坯強度,防止素坯在裝爐過程中破損.干燥溫度為110℃,干燥時間3—5h.

    為防止制品燒結變形,干燥后的制品應埋在同質氧化鋁粉中,裝入匣缽放入爐中進行燒結.燒結氣氛為空氣,PID調節控溫,燒結溫度為1650℃,燒結時間為10—13h,高溫保溫1.5h,自然降溫.燒結溫度曲線見圖2。
    圖2

    2材料性能檢測及精加工

    2.1性能檢測

    燒結后試樣的常規性能檢測結果見表4.這些性能指標可以滿足使用要求.

    2.2精加工

    鑒于對陶瓷電連接器的尺寸精度要求較高,燒結后的陶瓷電連接器經檢查如無裂紋和明顯的變形,還需對其進行精加工.精加工采用金剛石微型磨具,手工對陶瓷電連接器的內外徑和側面開口部分進行研磨處理,直至達到所需要的尺寸精度要求.

    3結語

    (1)通過向微米氧化鋁中引入納米氧化鋁和板晶氧化鋁,可以提高氧化鋁陶瓷材料的強度和韌性.

    (2)制品的各項性能指標可滿足使用要求.

    (3)采用干壓成形、埋粉燒成、后期加工方法解決了制品尺寸精度的問題.

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