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    氧化鋁陶瓷物理性能及氧化鋁陶瓷耐磨性的實驗結果分析

    發布日期:2017年11月20日

    本文主要是以氧化鋁陶瓷為基本的研究對象, 通過試驗的方法, 對氧化鋁陶瓷不同方面的性能進行研究。主要包含了氧化鋁陶瓷的制作工藝流程, 通過氧化鋁制作過程中不同成分的添加劑的數量和容量、不同的燒結溫度、不同物料顆粒度等因素對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響進行研究, 從而得出不同條件下的氧化鋁陶瓷的性能和耐磨性, 希望能夠對今后工業產品的研發和相關耐磨材料的應用提供相應有價值的信息。

    氧化鋁陶瓷作為一種結構陶瓷, 其性能有一系列的優點。熔點高, 其融化溫度可以最高達到2050℃, 可以在不同的化學條件下保持其固有的物理性能, 不管是在極酸還是極堿的狀態下, 都能保持一個相對穩定的狀態。其中氧化鋁陶瓷根據其組成的不同的結晶成分, 其機械強度也有所不同, 高性能的陶瓷其強度和電阻率水平都很高, 并且可以實現極高水平的絕緣能力, 不易受到周圍環境的影響, 物理性能和化學性能都極佳。隨著技術的不斷發展, 氧化鋁陶瓷已經廣泛的應用于化工、機械制造、生物醫學等各個領域, 并隨著性能的提升逐步擴大應用范圍, 對氧化鋁性能的研究在很多行業的生產活動中都有很高的現實意義。以下是針對氧化鋁陶瓷的性能研究的具體試驗過程。

    1 氧化鋁陶瓷的制作

    1.1 制作氧化鋁陶瓷所需的設備

    氧化鋁的制作主要采用的材料是三氧化二鋁, 同時以氧化鎂作為試驗的添加劑和催化劑。試驗中主要采用的設備有: (1) 燒結爐, 由于氧化鋁的熔點極高, 所以本次試驗主要采用超高溫電爐。 (2) 球磨機, 主要是將破碎之后的材料再進行進一步的粉碎工作。 (3) 真空干燥箱, 由于氧化鋁的制作是一個化學過程, 其制定過程就是一個氧化過程, 所以該反應的過程需要保證一個真空的環境, 干燥箱在工作的同時可以往內部空間注入足量的不含氧的氣體, 保證反應中各個物料可以隨時保持干燥的狀態。 (4) 壓力成型設備。 (5) 在氧化鋁制作完成的后期, 需要進行一些磨刃工作, 采用萬能工具磨床, 其性能優越, 精度高同時剛性強有極佳的實用性。 (6) 摩擦試驗機, 用于試驗后期對于氧化鋁陶瓷成品的耐磨性進行試驗。

    1.2 氧化鋁陶瓷制作的工藝流程

    氧化鋁陶瓷制作的過程, 主要采用氧化鋁粉為主要的原材料同時采用氧化鎂為添加劑, 運用干壓成型的手段燒結制成試驗所需的氧化鋁陶瓷, 具體的工藝流程如圖1所示。

    如圖1所示, 氧化鋁陶瓷的制作首先要取料, 實驗所需的三氧化二鋁、二氧化鋅和氧化鎂, 分別計算出不同的克數重量, 用天平進行詳細的稱重取料。第二步, 將PVA溶液按照不同的材料配比進行配置。第三步, 將第一、二步中所配置好的原材料的PVA溶液進行混料、球磨, 這個過程的時間一般為12h左右, 保證球磨的轉速在900r/min, 并采用蒸餾水進行球磨工作。第四步, 利用真空干燥箱將準備好的原材進行脫水干燥, 其工作溫度保持在80~90℃。第五步, 先造粒再成型。將上一步干燥過的原材料于油壓千斤頂進行壓制。第六步, 對氧化鋁產品進行燒結固定、成型。最后就是對氧化鋁陶瓷產品的拋光打磨, 這一步分為兩個過程, 首先采用砂輪機將陶瓷產品的大部分多余的大顆粒物質磨除, 再使用細砂紙對陶瓷產品的部分區域進行細微的磨擦和修飾, 最后在對整個氧化鋁陶瓷產品進行拋光, 至此氧化鋁陶瓷產品制作完成, 圖2為配方煅燒升溫曲線。

    氧化鋁陶瓷制作的工藝流程

    圖1 氧化鋁陶瓷制作的工藝流程

    配方煅燒升溫曲線

    圖2 配方煅燒升溫曲線

    2 氧化鋁陶瓷耐磨性的實驗

    首先, 保證實驗的對比性, 要設立不同的分組和參照組。將不同配比材料的實驗樣品分別進行編號, 同時放入同等物質條件的燒杯中, 將所有實驗樣品在清洗器中采用超聲波清洗機, 之后將所有實驗樣品進行干燥處理。注意在每次實驗開始之前, 都要將容器中的實驗溶液倒掉更新, 防止容器中出現鐵銹進而影響實驗的效果。

    上述工作都準備完成之后, 將氧化鋁陶瓷的實驗樣品安裝在磨損試驗機上, 其中磨損試驗機需安裝磨擦環以固定實驗樣品進行磨擦, 按照設備的操作程序, 開始關于氧化鋁陶瓷耐磨性的實驗過程。在樣品保持不變的情況下, 對實驗機器的轉速進行調節, 一般觀察三個不同轉速的磨擦系數。觀察在不同轉速的條件下實驗樣品與摩擦環的接觸, 在實驗樣品與磨擦環接觸的過程中, 機器自帶的傳感器會將摩擦換與實驗樣品的磨擦數據傳到終端, 不同條件下的樣品摩擦系數都會得到相應的結果, 隨著實驗時間的延長, 可以得到不同時間不同轉速條件下的磨擦系數曲線。

    3 氧化鋁陶瓷耐磨性的實驗結果分析

    3.1 不同含量的添加劑的影響

    通過對實驗數據的分析, 研究了不同添加劑含量的氧化鋁陶瓷的耐磨性能。圖3是根據不同含量的氧化鎂, 其氧化鋁陶瓷所呈現出的磨擦性能的對比。

    不同氧化鎂含量的氧化鋁陶瓷產品的磨擦系數對比

    圖3 不同氧化鎂含量的氧化鋁陶瓷產品的磨擦系數對比

    通過對圖3的分析可以看出, 不同含量的氧化鎂對于氧化鋁陶瓷的磨擦性能的影響也是不同的。在氧化鋁產品進入一個相對平衡的階段時, 隨著氧化鎂含量的增加, 其磨擦系數呈現了一個先減小然后然后逐步增加的趨勢, 在含量為0.4%時陶瓷產品的磨擦系數最小。也就是說, 氧化劑的添加是有一個最佳的配比, 過多或者過少, 都會影響陶瓷產品的耐磨性。在分子的組成之間, 各個晶體通過自身的彈性和擴散性能, 在磨擦的過程中彼此都產生了微弱的阻力, 當晶體之間的強度比較弱時, 晶體與晶體之間容易出現斷裂, 那么產品表面就會形成相應的磨損顆粒。隨著氧化鎂這種添加劑的進入, 可以有效的調節各個晶體之間的異性, 有效的降低因為斷裂產生的磨損, 提高陶瓷產品的耐磨性, 從而降低磨擦系數。但是如果原材料中出現了過多的氧化鎂添加劑, 就會造成氧化鋁陶瓷產品表面過多的鋁鎂晶石, 影響晶體晶粒的相互擴散, 從而使實驗產品表面出現磨損顆粒, 產品的磨擦系數也會隨之增大。

    3.2 不同燒結溫度的影響

    在產品制作后期的燒結溫度, 可以影響氧化鋁陶瓷很多方面的性能, 圖4是根據不同溫度條件下的氧化鋁陶瓷產品的磨擦系數的對比。

    不同燒結溫度條件下的陶瓷產品的磨擦系數對比

    圖4 不同燒結溫度條件下的陶瓷產品的磨擦系數對比

    通過對圖4的分析可以得出, 在陶瓷產品進入一個穩定的階段之后, 在其它條件保持相同的情況下, 陶瓷產品的磨擦系數會隨著溫度的升高而逐漸降低。

    在陶瓷產品燒結的過程中, 隨著溫度的升高, 其液相的量會增多, 液相狀態下物體表面可以保有極大的張力, 使各個顆粒和分子可以實現緊密結合, 并實現對各個細小氣孔的填充, 從而延緩三氧化二鋁顆粒的變大, 加上每個細小分子之間的顆粒作用, 在物體表面會到處填充, 減少陶瓷產品表面的氣孔, 使陶瓷產品表面形成一個相對緊致、飽滿的狀態, 大大的降低磨擦系數。

    3.3 不同物料顆粒粒度及其分布對性能的影響

    本次對比試驗的漿料細度基本達到2000目, 漿料細度越細, 顆粒表面積越大, 比表面能也越大, 燒結反應速率快, 燒結溫度也會有所降低。同時, 因細度越細, 成核結晶排列致密, 在急冷階段使液相包裹成核結晶時內部結構形成孔洞幾率越小, 這也會大大降低了瓷球的磨耗。因此, 在投入生產中必須注重漿料細度的控制。

    4 結語

    通過上述實驗可以得知, 不同的組成材料對于陶瓷產品的物理性能和磨擦系數的影響是不同的。本文通過對不同劑量的添加劑、不同的燒結溫度和不同物料顆粒粒度三個方面對氧化鋁陶瓷材料的耐磨性進行研究, 分析各個因素對陶瓷產品不同的影響, 從而得出氧化鋁陶瓷產品的優越耐磨性的結論。隨著技術的不斷進步, 氧化鋁陶瓷在未來還可以有更多方向的應用和發展。

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