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    納米氧化鋁對氧化鋁陶瓷抗彎強度和硬度的影響

    發布日期:2016年9月23日

    1前言  

    氧化鋁陶瓷,又稱剛玉瓷,是一種以a-氧化鋁為主晶相的結構陶瓷材料,由于其本身具有高熔點、高硬度、耐熱、耐腐蝕、電絕緣性好等特性,因此,可以在較苛刻的條件下使用。氧化鋁陶瓷的價格低廉,是目前生產量最大,應用面最廣的陶瓷材料之一,主要應用于刀具、耐磨部件及生物陶瓷領域。此外,它還廣泛應用于宇航、能源、航空航天、化學化工電子等方面。近年來,由于對材料性能的要求高,人們提出各種提高氧化鋁陶瓷性能的方法,其中主要有:熱壓燒結、放電等離子燒結、微波燒結和加入添加劑[7]等。結果表明:采取一些新的措施后,使得氧化鋁陶瓷在抗彎強度和硬度等方面的性能大大地提高。  

    本文以1μm氧化鋁粉為基體材料,分別加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的納米氧化鋁粉;采用常規方法燒結得到一系列的氧化鋁陶瓷;然后對氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量等方面的性能進行了測試。  

    2實驗內容  

    2.1實驗原料  

    本實驗用的1μm氧化鋁粉是由鄭州融華公司生產,產品的基本參數為:外觀為白色粉末、晶粒的平均粒徑為1~1.5μm、晶體結構為α相,純度≥99.8%,其他雜質為Na2O、SiO2和Fe2O3。30nm的氧化鋁是由杭州萬景新材料有限公司生產,產品的基本參數為:外觀為白色粉末、晶體結構為α相,純度≥99.9%、晶粒的平均粒徑為30±5nm。  

    2.2試驗過程  

    本實驗采用常規燒結方法來燒結氧化鋁陶瓷。其具體過程如下:首先,30nm的氧化鋁粉成形前需用超聲波分散;然后,按照配方的要求準確稱取所需的量加入到1μm的氧化鋁粉中;其次,再將質量分數為5%的PVA(聚乙烯醇)作為粘結劑加入到氧化鋁粉中;最后,研磨均勻,在250MPa的壓力下壓成尺寸約為3mm×4mm×36mm的坯體。樣品在常規燒結中,其燒成制度為:升溫速率為3℃/min,燒結溫度為1600℃,保溫時間為2h;達到保溫時間后隨爐冷卻,樣品經過粗磨、細磨、拋光;然后采用萬能材料試驗機測試其三點抗彎強度,要求試件跨距為30mm、加載速度為0.5mm/min。試樣硬度由洛氏硬度計測得。  

    3結果分析與討論  

    加入不同含量的30nm氧化鋁粉的氧化鋁陶瓷的力學性能如圖1、2、3所示。  

    由圖1可知,隨著納米氧化鋁粉含量的增加,樣品的洛氏硬度(HRA)一直增加。當含量從0%增加到1%時,其洛氏硬度從82.2迅速增加到84.6。當添加量在5%~20%之間時,增加速度較慢,其最大值為86.4。由圖2可知,斷裂強度的變化曲線與硬度變化不同,隨著納米氧化鋁粉的加入,斷裂強度值的整體變化趨勢為先降低,后增加。當添加量為0%時,其斷裂強度值為199.5MPa;隨著納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時,其斷裂強度降低到190.1MPa;當納米氧化鋁粉的加入量為20%時,斷裂強度值增加到209.1MPa。由圖3可知,當納米氧化鋁粉的加入量為0%時,其彈性模量為4337.7MPa;當納米氧化鋁粉的加入量為0.5%時,彈性模量增加到11298.2MPa;當納米氧化鋁粉的加入量為10%時,彈性模量達到最大,其值為64785.1MPa。  

    從上面的分析可知,總體趨勢是隨著30nm的氧化鋁的加入,氧化鋁陶瓷的硬度、抗彎強度和彈性模量都增加,但其影響的趨勢和程度不同。一般認為,加入納米材料后樣品力學性能的提高,其主要是因為納米材料占據基體空隙位置和細化晶界所導致的。  

    4結論  

    在1μm的氧化鋁粉中添加不同含量的30nm的氧化鋁粉后,其氧化鋁陶瓷的性能發生了改變。  

    (1)隨著納米氧化鋁粉含量的增加,樣品的洛氏硬度(HRA)一直增加。當添加含量為20%時,洛氏硬度達到最大,其值為86.4。  

    (2)隨著納米氧化鋁粉含量的增加,斷裂強度值的整體變化趨勢為先降低,后增加。  

    (3)隨著納米氧化鋁粉含量的增加,彈性模量呈增加趨勢,當添加量為10%時,其值達到最大,為64785.1MPa。  

    (4)加入納米材料后樣品力學性能在不同程度上得到了提高,其主要是因為納米材料占據了基體空隙位置和細化晶界所導致的。

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