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          莫來石纖維增韌氧化鋁陶瓷的制備工藝

          發布日期:2021年8月26日

          氧化鋁陶瓷由于其耐高溫、高硬度、耐磨損和耐腐蝕等金屬材料難以相比的優點,已廣泛應用于汽車發動機、航空航天、國防軍工、冶金、醫療、光學、機械電子、化T等領域。目前,氧化鋁陶瓷已成為材料科學領域最為活躍的研究領域之一。它是成本低、發展比較早、應用最廣的一種陶瓷材料。但它同大多數陶瓷材料一樣,存在著抗熱震性差和斷裂韌性低的缺點,限制了氧化鋁陶瓷在工程結構中的應用。為了擴大氧化鋁陶瓷的應用,我們通過一些方式對陶瓷復合基材料增韌,比如纖維增韌、顆粒增韌、金屬添加相增韌等,現在比較先進的增韌方式是用莫來石纖維。

          莫來石纖維是當今國內外最新型的超輕質高溫耐火材料,是Al203-Si02中的一種,使用溫度一般在1500~1600℃,外觀呈白色,富有彈性,柔軟、光滑,不被熔融金屬侵蝕,可與金屬很好地復合制成高強度、質量輕的元件;電氣絕緣、電波透過性能好,表面活性好,在高溫下具有極佳的耐化學腐蝕和抗氧化性,耐高溫,用它制備的導彈殼體,則有可能不開天線窗,將天線裝在彈內。此外,由于近年來莫來石纖維實現了較大規模工業化生產,成本大大降低,使莫來石纖維增韌氧化鋁陶瓷基復合材料制備成本大大降低,作為工程結構材料成為可能。它的用途正處于開發階段,不久的將來將在航空、航天、衛星、交通和能源等部門得到廣泛應用。

          制備工藝

          (1)熱分解法制備A1203粉末硫酸鋁銨加熱分解得到A1203。

          得到的粉末在還原氣氛下進行預燒,使γ-A1203全部轉變為α-A1203。

          (2)沉淀包裹法制備ZrO2(Y2O3)-α-A1203粉末

          (3)等靜壓成型

          將制好的(Y2O3)-α-A1203粉末裝入模具之中并采用模壓的方法成型,模壓壓力為%MPa,保壓時間為5min。將模壓好的坯體進行真空封裝,然后進行等靜壓成型,逐漸加壓到200MPa后保壓120s,最后緩慢泄壓,將樣品取出。

          (4)微波兩步燒結

          用微波燒結爐將樣品從室溫開始以10℃/min升溫至最高點溫度1500℃,之后以10℃/min降溫至1300℃,經過5h保溫,隨后以5℃/min的速率降溫至室溫。

          (5)表面處理

          (6)封裝

          (7)性能測試

          注意事項

          (1)制備Al203粉末時

          ①原料應易于獲得,價格低廉,可降低生產成本。②顆粒越小越好,最好能夠達到納米級別。③高純度的原料對陶瓷性能更有利。

          (2)制備ZrO2(Y203)-a-Al2O3粉末時要合理地控制Zr02彌散粒子的相變過程

          ①控制ZrO2彌散粒子的尺寸;

          ②控制ZrO2顆粒的分布狀態;

          ③最佳的ZrO2體積分數和均勻的ZrO2彌散程度;

          ④陶瓷基體和ZrO2粒子熱膨脹系數的匹配;

          ⑤控制Zr02基體彌散粒子的化學性質。

          (3)制備ZrO2(Y203)-a-Al2O3粉末時不同組分間應盡量做到離子程度的混合,所以采取沉淀包裹法最好,ZrO2粒子均勻分散,使Al2O3顆粒包裹ZrO2,從而使相變產生良好的增韌效果。相變產生良好的增韌效果。

          (4)等靜壓成型是要將柔性袋中的氣體排出。

          (5)燒結時的溫度、時間、氣氛、壓力、升降溫速度以及保溫時間等都對韌性氧化鋁陶瓷產生影響

          ①燒結時應在使粉體致密程度最高、氣孔率最小的前提下,盡可能地降低燒結溫度,縮短燒結時間,節約成本;

          ②氧的氣壓越低越有利于燒結,在氬氣和空氣中燒結最好;

          ③升溫速率過快易造成變形和開裂,按照氣孔收縮的情況來控制升溫速率,不會使早期致密化的速率過大,也不會過早地封閉氣孔,使氣孔不能完全排除,也可防止粗晶的出現;

          ④合適的保溫時間可以進一步改善粉體的致密程度,根據四大燒結機理,保溫可使粉體傳質更加均勻,有利于氣孔排出。

          (6)微波燒結內外同時加熱,可活化分子,燒結成本低,但是燒的更細更均勻,提高韌性氧化鋁的性能。

          (7)燒結時可加入添加劑降低燒成溫度,促進燒結。韌性氧化鋁陶瓷勢必會代替普通氧化鋁陶瓷,其制備工藝也會愈加先進,這代表著陶瓷材料工業的技術進步,在生產效率、產品質量等方面也都明顯改善。

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