摘 要： 研究了使用(yong)α-氧(yang)(yang)化鋁(lv)微粉作為起(qi)始原(yuan)料(liao), 以(yi)(yi)聚丙烯酸(suan)銨 (PAA-NH4) 為分(fen)散劑調(diao)配注(zhu)漿(jiang)(jiang)(jiang)成(cheng)型用(yong)的(de)(de)(de)(de)漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao), 采用(yong)注(zhu)漿(jiang)(jiang)(jiang)成(cheng)型法(fa)制備出(chu)(chu)幾乎沒有(you)缺陷的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)坯, 燒制出(chu)(chu)抗彎強度大于750 MPa的(de)(de)(de)(de)陶瓷體(ti)。探討了分(fen)散劑添(tian)(tian)加量(liang)對(dui)漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao)黏(nian)度的(de)(de)(de)(de)影(ying)響、漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao)特(te)性(xing)(xing)對(dui)生(sheng)(sheng)坯特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響以(yi)(yi)及燒結后(hou)樣品的(de)(de)(de)(de)機械性(xing)(xing)能。注(zhu)漿(jiang)(jiang)(jiang)成(cheng)型用(yong)漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao)的(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing)是獲得高(gao)強度氧(yang)(yang)化鋁(lv)陶瓷的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵。經生(sheng)(sheng)坯特(te)性(xing)(xing) (密度與(yu)微結構) 觀察、陶瓷體(ti)強度測試(shi)及破裂(lie)源檢(jian)測提(ti)出(chu)(chu)一種漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao)設計(ji)觀點, 即較佳的(de)(de)(de)(de)高(gao)分(fen)子(zi)分(fen)散劑添(tian)(tian)加量(liang)是達到飽和(he)吸附以(yi)(yi)上但還(huan)未開始大量(liang)產生(sheng)(sheng)分(fen)子(zi)間架(jia)橋作用(yong)的(de)(de)(de)(de)濃度范圍, 此(ci)狀態的(de)(de)(de)(de)漿(jiang)(jiang)(jiang)料(liao)有(you)助于增加粉體(ti)粒子(zi)之間的(de)(de)(de)(de)黏(nian)結, 因(yin)而有(you)效(xiao)減少了生(sheng)(sheng)坯干燥過程中產生(sheng)(sheng)裂(lie)縫、缺陷的(de)(de)(de)(de)機率, 促使陶瓷體(ti)強度得到明顯提(ti)升。
氧化鋁陶瓷具有較高的硬度、耐磨耗性、熔點及化學穩定性, 故在結構陶瓷或精密陶瓷領域被廣泛使用。目前多數氧化鋁陶瓷機械強度在400MPa以下, 而作為高壓鈉燈燈管用的半透明氧化鋁雖幾乎完全致密, 但其強度僅在300MPa以下, 因此改善陶瓷制程以提升其強度一直是氧化鋁陶瓷研究的重要課題。許多研究用濕式成型法制作氧化鋁生坯, 所得坯體密度高、孔隙小及微結構均勻, 且在低溫下即可制備出致密陶瓷體。原料粉體的凝聚現象對生坯品質有嚴重的影響, 若要消除該影響可將粉體分散于溶液中, 然后運用各種濕式成型法使其在脫除溶液時直接達到均勻緊密的堆積。漿料分散時常添加分散劑以改善漿料的流變性質與黏度, 其中高分子分散劑可吸附在粉體表面通過空間阻隔作用達到分散效果, 若高分子在溶液中解離則兼具靜電排斥與空間阻隔效應。筆者以α-Al2O3微粉為(wei)起(qi)始原料, 以PAA-NH4為(wei)分(fen)(fen)散劑調(diao)配出(chu)(chu)注漿(jiang)(jiang)成型用的漿(jiang)(jiang)料, 利用濕式(shi)成型法改(gai)善Al2O3坯體(ti)微結(jie)構的均勻(yun)性以制備(bei)出(chu)(chu)高(gao)強度的陶(tao)瓷體(ti), 探討分(fen)(fen)散劑添(tian)加量對漿(jiang)(jiang)料黏(nian)度的影響、漿(jiang)(jiang)料特性對生坯特性的影響以及(ji)燒結(jie)后(hou)樣(yang)品的機械性能。
1 實驗部分
1.1 起始粉末(mo)特性
以粒徑為15nm的α-Al2O3微粉 (APD-100) 為起始原料 (比表面積為20m/g) , 經噴霧造粒團粒尺寸為50~100μm, 且具有良好圓度, 見圖1a;圖1b為構成團粒基本粒子掃描電鏡 (SEM) 照片, 可見部分大粒子是由2~3顆基本粒子組成的硬凝聚, 形成了蠕蟲狀結構。起始粉末中還含有5% (質量分數) 納米級非晶質ZrO2粒子, 以及其他微量雜質如1.01×10Fe2O3、5.6×10SiO2、2.2×10MgO、9×10Na2O。
圖1 起始α-Al2O3粉末SEM照片
由于起始(shi)粉末已經噴霧造(zao)粒, 在漿料(liao)制備(bei)中可能加入了分散劑或黏結劑。為(wei)檢測這些有(you)機物(wu)含量與(yu)分解溫度, 對起始(shi)粉末進行熱(re)重分析(xi) (TG) , 結果見圖2。在500℃之前約(yue)有(you)2.5%質量損失。有(you)機物(wu)的使用雖可使漿料(liao)有(you)效(xiao)分散, 但其殘(can)留于造(zao)粒后的團(tuan)粒中對后續干壓成型過程產生負面影響, 故在成型前對粉體均施以(yi)500℃/2h前熱(re)處理以(yi)除去(qu)有(you)機物(wu)。
圖2 起始α-Al2O3粉末TG曲線
1.2 坯(pi)體(ti)成(cheng)型與燒結
生坯制作方法分為兩種, 即單軸加壓成型與注漿成型。1) 單軸加壓成型:采用經熱處理的起始粉末以單軸加壓成型, 施加壓力為100MPa, 制得棒狀生坯;未經熱處理的粉末也以相同的條件制成坯體。為增加坯體的強度, 樣品先以5℃/min的速率升溫至800℃預燒1h, 然后取部分體積的樣品用DIL402C型熱膨脹儀測量其燒結收縮曲線, 由室溫以10℃/min的速率升溫至1 550℃。2) 注漿成型 (分散劑為PAA-NH4, 具有靜電排斥-空間阻隔的分散效應) :將0~0.5%的分散劑 (相對于起始粉末的質量分數) 滴入去離子水中并以很聲波振蕩10 min, 依次置入ZrO2磨球與Al2O3起始(shi)粉末 (未經500℃/2 h熱處理) 調制成固含量為(wei)(wei)30% (體(ti)(ti)積分數) 的(de)(de)水基泥漿混合球(qiu)磨12h。用DV-Ⅲ型流變(bian)計(ji)測量漿料(liao)(liao)的(de)(de)黏度(du), 根據(ju)黏度(du)測量結果選取(qu)(qu)(qu)PAA-NH4添加(jia)(jia)量為(wei)(wei)0與3.5%的(de)(de)漿料(liao)(liao)進行后(hou)(hou)續注(zhu)漿成型。注(zhu)漿時(shi)以(yi)(yi)針筒吸取(qu)(qu)(qu)適量漿料(liao)(liao)注(zhu)入預先烘(hong)干(gan)(gan) (50℃/0.5h) 的(de)(de)石膏模(mo)中, 室溫(wen)干(gan)(gan)燥2天, 之(zhi)后(hou)(hou)將坯(pi)體(ti)(ti)脫模(mo)取(qu)(qu)(qu)出(chu), 移至恒溫(wen)烘(hong)箱先以(yi)(yi)50℃干(gan)(gan)燥1h再升(sheng)(sheng)溫(wen)至100℃持續干(gan)(gan)燥1天即得粗坯(pi)。為(wei)(wei)增加(jia)(jia)坯(pi)體(ti)(ti)強(qiang)度(du)以(yi)(yi)利于后(hou)(hou)續修(xiu)坯(pi), 粗坯(pi)同樣以(yi)(yi)5℃/min的(de)(de)速率升(sheng)(sheng)溫(wen)至800℃預燒1 h, 而(er)后(hou)(hou)用240~1500號砂紙(zhi)加(jia)(jia)以(yi)(yi)修(xiu)飾得到(dao)生坯(pi)。
1.3 樣品表征
以(yi)(yi)阿(a)基米德(de)法(fa)測(ce)(ce)(ce)量(liang)生坯密度(du)(du), 以(yi)(yi)S-4200型(xing)掃描電鏡(jing)(jing)觀(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)生坯的(de)微(wei)觀(guan)(guan)結(jie)構。以(yi)(yi)10℃/min速率升至1 500℃對生坯進行等(deng)溫(wen)燒結(jie)4~12 h, 同樣(yang)以(yi)(yi)阿(a)基米德(de)法(fa)測(ce)(ce)(ce)量(liang)燒結(jie)體密度(du)(du), 以(yi)(yi)掃描電鏡(jing)(jing)觀(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)燒結(jie)體的(de)拋光(guang)面(mian)與破(po)斷(duan)面(mian)。為(wei)(wei)了解不同成(cheng)型(xing)方式(shi)及燒結(jie)條件對陶(tao)瓷體機械(xie)強度(du)(du)的(de)影響, 測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)樣(yang)品(pin)分為(wei)(wei)3種(zhong):一(yi)種(zhong)為(wei)(wei)單軸(zhou)加(jia)壓成(cheng)型(xing)制(zhi)(zhi)得(de)的(de)樣(yang)品(pin);另外(wai)兩種(zhong)為(wei)(wei)以(yi)(yi)注漿成(cheng)型(xing)但(dan)PAA-NH4添加(jia)量(liang)分別為(wei)(wei)0與3.5%制(zhi)(zhi)得(de)的(de)樣(yang)品(pin)。燒結(jie)后將試(shi)(shi)片尺寸加(jia)工(gong)成(cheng)4 mm×3 mm×40 mm, 采(cai)用4點(dian)彎(wan)曲強度(du)(du)試(shi)(shi)驗規范測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)材料的(de)強度(du)(du)σ=3p (L-l) 2wt。式(shi)中(zhong):p為(wei)(wei)負荷(he);w為(wei)(wei)試(shi)(shi)片寬度(du)(du);t為(wei)(wei)試(shi)(shi)片厚度(du)(du)。每組樣(yang)品(pin)測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)5~10次(ci)取平均值, 強度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)后利用掃描電鏡(jing)(jing)觀(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)樣(yang)品(pin)的(de)破(po)斷(duan)情形以(yi)(yi)找(zhao)出(chu)破(po)壞(huai)源。
2 結果與討論
2.1 前(qian)熱處理(li)對單軸(zhou)加壓成型生坯及燒結(jie)體微結(jie)構的(de)影(ying)響
探討粉(fen)(fen)體(ti)(ti)單(dan)軸加壓(ya)成(cheng)型(xing)(xing)(xing)前(qian)施(shi)以500℃/2h的熱(re)處(chu)理(li)對(dui)后續生(sheng)(sheng)坯(pi)(pi)以及(ji)燒結(jie)體(ti)(ti)微結(jie)構(gou)的影響(xiang)。圖3為(wei)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)熱(re)處(chu)理(li)前(qian)后制得(de)生(sheng)(sheng)坯(pi)(pi)SEM照片, 成(cheng)型(xing)(xing)(xing)壓(ya)力均(jun)為(wei)200 MPa。密(mi)度測量(liang)結(jie)果(guo)顯示兩(liang)者(zhe)雖均(jun)約為(wei)50%, 但(dan)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)未經熱(re)處(chu)理(li)除去有機(ji)物(wu)直接單(dan)軸加壓(ya)成(cheng)型(xing)(xing)(xing), 其(qi)坯(pi)(pi)體(ti)(ti)破裂面可觀察到很(hen)多(duo)團(tuan)(tuan)粒(li)(li)呈(cheng)現變(bian)形但(dan)未破裂的現象 (圖3a) , 導致(zhi)生(sheng)(sheng)坯(pi)(pi)中存(cun)在(zai)大(da)量(liang)的團(tuan)(tuan)粒(li)(li)間(jian)(jian)界面及(ji)孔(kong)(kong)洞, 即使成(cheng)型(xing)(xing)(xing)壓(ya)力增至(zhi)500 MPa這(zhe)種現象仍然存(cun)在(zai)。反(fan)之, 除去有機(ji)物(wu)的粉(fen)(fen)體(ti)(ti)團(tuan)(tuan)粒(li)(li)則轉變(bian)為(wei)具(ju)脆性, 在(zai)受壓(ya)過程中幾乎全部破裂, 粉(fen)(fen)體(ti)(ti)粒(li)(li)子得(de)以填充于原團(tuan)(tuan)粒(li)(li)孔(kong)(kong)洞間(jian)(jian), 因此(ci)生(sheng)(sheng)坯(pi)(pi)微結(jie)構(gou)具(ju)有較高的均(jun)勻(yun)性, 坯(pi)(pi)體(ti)(ti)中的缺陷(xian)密(mi)度大(da)為(wei)降(jiang)低 (圖3b) 。
圖3 粉體熱處理(li)前后單(dan)軸(zhou)加壓成(cheng)型生坯SEM照片
圖4為粉(fen)(fen)體(ti)(ti)熱處理前后(hou)(hou)制得生坯燒(shao)結(jie)收(shou)縮(suo)曲線(xian)。粉(fen)(fen)體(ti)(ti)未(wei)經前熱處理, 雖然初(chu)始燒(shao)結(jie)收(shou)縮(suo)溫度較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)(di), 但(dan)在(zai)(zai)(zai)燒(shao)結(jie)后(hou)(hou)期(qi)其致密化有減(jian)緩的(de)(de)趨勢(shi), 當(dang)溫度達到1 490℃時(shi)坯體(ti)(ti)收(shou)縮(suo)量有被很前的(de)(de)現象;其整個燒(shao)結(jie)過程的(de)(de)致密速率顯示出(chu)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)變動, 曲線(xian)走(zou)勢(shi)較(jiao)(jiao)(jiao)不(bu)(bu)平滑(hua)。該現象主(zhu)要是由坯體(ti)(ti)微結(jie)構(gou)不(bu)(bu)均(jun)勻所引起, 未(wei)經前熱處理的(de)(de)粉(fen)(fen)體(ti)(ti)在(zai)(zai)(zai)受壓(ya)時(shi), 團粒(li)(li)內的(de)(de)粒(li)(li)子可能因為有機(ji)物的(de)(de)黏結(jie)、潤滑(hua)作用而(er)(er)較(jiao)(jiao)(jiao)易相互(hu)滑(hua)動, 達到較(jiao)(jiao)(jiao)佳堆積狀(zhuang)況, 粒(li)(li)子間(jian)具有較(jiao)(jiao)(jiao)短的(de)(de)距離, 故顯示出(chu)較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)(di)的(de)(de)初(chu)始收(shou)縮(suo)溫度;然而(er)(er), 團粒(li)(li)僅(jin)變形但(dan)未(wei)破裂而(er)(er)殘留的(de)(de)團粒(li)(li)間(jian)孔(kong)洞與縫隙, 卻由于(yu)尺寸較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)不(bu)(bu)易在(zai)(zai)(zai)燒(shao)結(jie)過程中排除(chu), 因而(er)(er)造成(cheng)燒(shao)結(jie)末期(qi)致密速率快速衰減(jian)。
圖4 粉(fen)體熱處理前(qian)后(hou)單軸加壓成型生坯燒(shao)結(jie)收縮(suo)率 (a) 與(yu)收縮(suo)速率曲線 (b)
若進一(yi)步觀察未經前熱處理的(de)(de)粉(fen)體(ti)以單軸加(jia)壓成(cheng)型制(zhi)成(cheng)的(de)(de)生坯于1400℃/16 h燒結后(hou)的(de)(de)破裂面 (圖5) 則可(ke)容易(yi)區分出兩部(bu)分:一(yi)部(bu)分為(wei)團粒內幾(ji)乎完全致密的(de)(de)區域;另一(yi)部(bu)分為(wei)團粒間(jian)明顯的(de)(de)孔洞、縫隙。這類(lei)缺(que)陷將造成(cheng)陶瓷體(ti)的(de)(de)裂化及機(ji)械強度的(de)(de)下降, 因此(ci)后(hou)續實(shi)驗凡采用這種粉(fen)體(ti)進行單軸加(jia)壓成(cheng)型均(jun)先(xian)施以500℃/2 h的(de)(de)熱處理。
圖5 粉體未經(jing)前(qian)熱(re)處理(li)以單軸加壓成型坯體經(jing)1 400℃/16h燒結(jie)樣(yang)品SEM照片
2.2 漿料特性分析
注(zhu)漿(jiang)成(cheng)型時(shi)(shi)將未(wei)經(jing)500℃/2 h熱處(chu)理的(de)(de)(de)(de)起始粉末(mo)調配成(cheng)分(fen)(fen)散(san)劑PAA-NH4含量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)0~0.5%固含量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)30%的(de)(de)(de)(de)水系漿(jiang)料 (p H約為(wei)(wei)(wei)9) , 其分(fen)(fen)散(san)程度用黏(nian)度值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)差異(yi)加(jia)(jia)(jia)(jia)以評估(gu)。圖6a為(wei)(wei)(wei)漿(jiang)料在剪(jian)切(qie)速率(lv)為(wei)(wei)(wei)80 s條件下的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度-分(fen)(fen)散(san)劑添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)相對變化趨(qu)勢(shi)。由圖6a可(ke)發(fa)現, 當(dang)漿(jiang)料中分(fen)(fen)散(san)劑添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)0~0.3%時(shi)(shi)漿(jiang)料的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度可(ke)保持在較低(di)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)(zhi)。當(dang)分(fen)(fen)散(san)劑添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)0時(shi)(shi)漿(jiang)料的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度為(wei)(wei)(wei)8 m Pa·s;當(dang)分(fen)(fen)散(san)劑添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)0.35%時(shi)(shi)曲線開始有上升(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi), 此時(shi)(shi)黏(nian)度值(zhi)(zhi)增加(jia)(jia)(jia)(jia)為(wei)(wei)(wei)63 m Pa·s;之(zhi)后(hou)漿(jiang)料的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度隨著分(fen)(fen)散(san)劑添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)(jia)(jia)呈(cheng)現快(kuai)速上升(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。圖6b則進一(yi)步顯(xian)示出PAA-NH4添加(jia)(jia)(jia)(jia)量(liang)(liang)(liang)為(wei)(wei)(wei)0與(yu)0.35%時(shi)(shi)兩(liang)種漿(jiang)料的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度-剪(jian)切(qie)速率(lv)的(de)(de)(de)(de)變化。由圖6b可(ke)知, 在剪(jian)切(qie)速率(lv)的(de)(de)(de)(de)測量(liang)(liang)(liang)范(fan)圍 (20~500 s) 內, PAA-NH4的(de)(de)(de)(de)添加(jia)(jia)(jia)(jia)造(zao)成(cheng)漿(jiang)料在各剪(jian)切(qie)速率(lv)下呈(cheng)現出較高的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度值(zhi)(zhi)。
圖6 漿料黏度與分散(san)劑添(tian)加量(liang) (a) 和剪切速(su)率 (b) 的變(bian)化趨勢(shi)
一般而言(yan), Al2O3粉末(mo)若(ruo)以高(gao)(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)作為分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji), 其(qi)黏(nian)(nian)(nian)度(du)與(yu)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)變化(hua)趨勢(shi)常呈現U形曲線, 即(ji)漿(jiang)料黏(nian)(nian)(nian)度(du)隨(sui)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)呈現先急(ji)劇(ju)減小(xiao)后保(bao)持平(ping)穩(wen)再急(ji)劇(ju)增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)趨勢(shi)[8]。這是因為, 在(zai)(zai)(zai)漿(jiang)料中添(tian)加(jia)高(gao)(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)有一臨界值, 達(da)到該臨界值時(shi)高(gao)(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)表面達(da)到飽(bao)和吸收漿(jiang)料穩(wen)定(ding)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san), 此時(shi)的(de)(de)(de)漿(jiang)料黏(nian)(nian)(nian)度(du)對應(ying)一較小(xiao)值;當分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)很過飽(bao)和吸收量(liang)(liang)時(shi), 多余、未吸附的(de)(de)(de)高(gao)(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)即(ji)游離于粒子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian);若(ruo)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)過高(gao)(gao)時(shi), 高(gao)(gao)分(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)間(jian)則開(kai)始(shi)產(chan)生(sheng)架橋作用(yong)致(zhi)使黏(nian)(nian)(nian)度(du)開(kai)始(shi)上升。在(zai)(zai)(zai)實驗中, 未添(tian)加(jia)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)PAA-NH4時(shi)漿(jiang)料便具有較低的(de)(de)(de)黏(nian)(nian)(nian)度(du), 其(qi)原因是起始(shi)粉體中既存(cun)的(de)(de)(de)有機(ji)物(wu)在(zai)(zai)(zai)漿(jiang)料中又(you)發揮其(qi)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)效果所(suo)致(zhi), 當分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)大(da)于0.35%時(shi), 漿(jiang)料黏(nian)(nian)(nian)度(du)的(de)(de)(de)急(ji)劇(ju)上升可(ke)能是添(tian)加(jia)的(de)(de)(de)PAA-NH4與(yu)既存(cun)的(de)(de)(de)有機(ji)物(wu)相互架橋造(zao)成的(de)(de)(de)。圖7為粒徑(jing)相似的(de)(de)(de)商用(yong)Al2O3粉末(mo) (TM-DAR) 與(yu)實驗用(yong)起始(shi)Al2O3粉末(mo)添(tian)加(jia)不同(tong)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)PAA-NH4制(zhi)備的(de)(de)(de)固(gu)含量(liang)(liang)為30%漿(jiang)料的(de)(de)(de)黏(nian)(nian)(nian)度(du)比較。由圖7可(ke)知, 在(zai)(zai)(zai)正常情況下分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)粒徑(jing)約(yue)為150 nm固(gu)含量(liang)(liang)為30%的(de)(de)(de)Al2O3漿(jiang)料時(shi), 分(fen)(fen)(fen)散(san)(san)(san)(san)(san)(san)劑(ji)(ji)PAA-NH4的(de)(de)(de)添(tian)加(jia)量(liang)(liang)應(ying)大(da)于0.6%。
圖(tu)7 不(bu)同PAA-NH4添(tian)加量下商用Al2O3粉(fen)末(mo)與實驗用起始Al2O3粉(fen)末(mo)制備固含量為30%漿(jiang)料(liao)的黏度(du)比較(jiao)
根據黏度(du)分析結果, 實驗選定在起始原料(liao)APD-100中添加不同(tong)量(liang)的(de)PAA-NH4制備出注漿成型用的(de)漿料(liao) (分散劑添加量(liang)分別為(wei)0、0.35%) , 前者(zhe)是黏度(du)較低(di)的(de)狀態(tai)(tai), 后(hou)者(zhe)是漿料(liao)中高分子(zi)開始連接、黏度(du)開始變大的(de)狀態(tai)(tai)。以(yi)下(xia)探討這兩者(zhe)對于后(hou)續(xu)陶瓷制程 (生坯狀態(tai)(tai)與微結構) 及機械(xie)強度(du)的(de)影響。
2.3 生坯特性分析(xi)
用(yong)(yong)于(yu)抗彎強度(du)(du)(du)(du)(du)測試用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)為(wei)3種(zhong)(zhong):一種(zhong)(zhong)為(wei)單軸加(jia)壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)制(zhi)(zhi)(zhi)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)樣品;另外(wai)兩種(zhong)(zhong)則為(wei)以(yi)注漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)但(dan)添(tian)加(jia)不同(tong)量(liang)(liang)PAA-NH4 (0、0.35%) 制(zhi)(zhi)(zhi)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)樣品。3種(zhong)(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi)密(mi)度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)別為(wei)50.3%、54.5%、53.7%, 依(yi)次可(ke)知(zhi)濕(shi)式(shi)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)方(fang)式(shi)確實能(neng)有效改善(shan)粉(fen)體(ti)(ti)(ti)粒(li)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)堆(dui)排狀況, 其中(zhong)(zhong)(zhong)又以(yi)漿(jiang)(jiang)料分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)狀態較(jiao)好 (黏(nian)度(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)低) 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)效果較(jiao)佳。圖(tu)8為(wei)各種(zhong)(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi)破裂(lie)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯微(wei)(wei)(wei)(wei)結(jie)構照片。圖(tu)8a、b顯示, 單軸加(jia)壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi), 雖然粉(fen)體(ti)(ti)(ti)團粒(li)幾乎全部破裂(lie), 無明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)存在, 但(dan)原本(ben)團粒(li)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)界面及(ji)孔(kong)洞卻(que)僅是(shi)粉(fen)體(ti)(ti)(ti)粒(li)子以(yi)較(jiao)為(wei)松散(san)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)堆(dui)積狀態所填充(chong)。而(er)以(yi)注漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)但(dan)未(wei)添(tian)加(jia)PAA-NH4制(zhi)(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)坯(pi)體(ti)(ti)(ti)密(mi)度(du)(du)(du)(du)(du)較(jiao)高(gao), 微(wei)(wei)(wei)(wei)結(jie)構中(zhong)(zhong)(zhong)大(da)(da)部分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)區域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒(li)子均(jun)呈均(jun)勻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)堆(dui)積, 但(dan)仔細觀(guan)察(cha)可(ke)發(fa)現(xian)有少數裂(lie)縫存在 (圖(tu)8c) , 其長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)在數微(wei)(wei)(wei)(wei)米(mi)至十(shi)幾微(wei)(wei)(wei)(wei)米(mi)之間, 這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形態、大(da)(da)小與單軸加(jia)壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)者不同(tong), 這(zhe)(zhe)是(shi)因為(wei)注漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)時(shi)泥(ni)坯(pi)在干(gan)(gan)燥(zao)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)。反觀(guan)PAA-NH4添(tian)加(jia)量(liang)(liang)為(wei)0.35%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi), 其密(mi)度(du)(du)(du)(du)(du)雖稍低于(yu)未(wei)添(tian)加(jia)PAA-NH4的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi), 但(dan)其微(wei)(wei)(wei)(wei)結(jie)構中(zhong)(zhong)(zhong)卻(que)無裂(lie)縫存在 (圖(tu)8d) , 其原因是(shi)高(gao)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)架(jia)橋(qiao)現(xian)象在坯(pi)體(ti)(ti)(ti)干(gan)(gan)燥(zao)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)也提供了粒(li)子間黏(nian)結(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)。以(yi)濕(shi)式(shi)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)法制(zhi)(zhi)(zhi)備生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)坯(pi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)濕(shi)坯(pi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)燥(zao)是(shi)一項(xiang)重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)程(cheng)(cheng)序, 過(guo)快或(huo)不均(jun)一的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)燥(zao)都可(ke)能(neng)導致坯(pi)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)翹曲(qu)、變形或(huo)龜裂(lie), 因此(ci)常通過(guo)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)干(gan)(gan)燥(zao)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)、濕(shi)度(du)(du)(du)(du)(du)使(shi)水分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)得(de)以(yi)在坯(pi)體(ti)(ti)(ti)不會產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情形下全部排除, 然而(er)在粉(fen)體(ti)(ti)(ti)粒(li)徑(jing)、坯(pi)體(ti)(ti)(ti)密(mi)度(du)(du)(du)(du)(du)及(ji)其尺寸形狀等因素影響下使(shi)得(de)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)與濕(shi)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)變得(de)非常復雜(za)。實驗(yan)中(zhong)(zhong)(zhong)發(fa)現(xian), 注漿(jiang)(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)制(zhi)(zhi)(zhi)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)若以(yi)高(gao)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子聚合物PAA-NH4為(wei)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)劑, 則可(ke)將添(tian)加(jia)濃度(du)(du)(du)(du)(du)調(diao)整至已很過(guo)飽(bao)和(he)吸(xi)附量(liang)(liang)但(dan)還未(wei)開(kai)始大(da)(da)量(liang)(liang)產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子間架(jia)橋(qiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍, 在這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)情況下可(ke)使(shi)濕(shi)坯(pi)中(zhong)(zhong)(zhong)粉(fen)體(ti)(ti)(ti)粒(li)子間殘留(liu)多余未(wei)被吸(xi)附的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子, 在后續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)燥(zao)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)能(neng)對粉(fen)體(ti)(ti)(ti)提供足夠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)黏(nian)結(jie)功(gong)能(neng), 進而(er)避(bi)免微(wei)(wei)(wei)(wei)結(jie)構中(zhong)(zhong)(zhong)缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)。
圖8 單軸加(jia)壓成(cheng)型 (a、b) 、無PAA-NH4注漿(jiang)成(cheng)型 (c) 、0.35%PAA-NH4注漿(jiang)成(cheng)型 (d) 所得生坯SEM照片
2.4 抗彎強度分析
將單(dan)軸加(jia)壓成(cheng)型與注(zhu)漿(jiang)成(cheng)型的(de)坯(pi)體于1 500℃燒(shao)結(jie), 其(qi)(qi)在各持溫時間下的(de)相對密度列于表1。單(dan)軸加(jia)壓成(cheng)型的(de)坯(pi)體經(jing)1 500℃/12h燒(shao)結(jie)其(qi)(qi)密度僅為95%;而注(zhu)漿(jiang)成(cheng)型的(de)坯(pi)體, 由于其(qi)(qi)具有良好(hao)的(de)生(sheng)坯(pi)堆(dui)積狀(zhuang)況, 于1 500℃燒(shao)結(jie)4 h其(qi)(qi)密度可達98%以上。
表1 單軸加壓成型與注漿成型的(de)坯體在1 500℃燒(shao)結各(ge)持溫(wen)時間下的(de)相對密(mi)度
單軸加(jia)壓成(cheng)型與注漿成(cheng)型的(de)坯體(ti)于1 500℃燒(shao)結后(hou)用于強度(du)測(ce)試, 各持溫時(shi)間下的(de)強度(du)測(ce)量結果見圖9。由于強度(du)值(zhi)除受密度(du)影響外, 陶瓷體(ti)中(zhong)缺(que)陷的(de)大小也是一(yi)個重要(yao)因(yin)素, 故實(shi)驗也以SEM檢測(ce)表(biao)面或破裂(lie)面以找出可能(neng)的(de)破裂(lie)源 (圖10) 。
圖9 單軸加壓成型(xing)(xing)與注漿成型(xing)(xing)的(de)坯體(ti)于1500℃燒結各持溫時間下的(de)抗彎(wan)強度
圖(tu)10 單軸加壓成型1 500℃燒結體(ti) (a、b、c) 、注漿成型不添加PAA-NH41 500℃燒結體(ti) (d、e、f) 、注漿成型0.35%PAA-NH41 500℃/12 h及8h燒結體(ti) (g、h) SEM照片(pian)
單(dan)軸加(jia)壓成型的(de)壞體經(jing)(jing)1 500℃/12 h燒結的(de)樣(yang)品(pin)抗彎強度僅為310 MPa, 經(jing)(jing)破裂(lie)面檢測發現燒結體中共(gong)包含(han)3種缺陷:種是(shi)樣(yang)品(pin)尚(shang)未完全(quan)致(zhi)密(mi)殘(can)留的(de)孔(kong)洞, 大(da)小在1μm以下 (圖10a) ;第(di)二種是(shi)少數晶粒(li)異常成長, 長度為10~20μm (圖10b) ;第(di)三(san)種是(shi)長度介于50~100μm的(de)裂(lie)縫 (圖10c) , 該(gai)裂(lie)縫的(de)生(sheng)成是(shi)由于生(sheng)坯微結構不(bu)均勻, 破裂(lie)團粒(li)內堆積(ji)較為緊(jin)密(mi)的(de)區域(yu)與團粒(li)間(jian)較為疏松的(de)區域(yu)在燒結過程(cheng)中致(zhi)密(mi)化速度不(bu)一(yi)致(zhi)所致(zhi), 亦(yi)即局部燒結所致(zhi)。第(di)三(san)種缺陷雖然數量不(bu)多(duo), 但其尺寸較大(da), 是(shi)造成樣(yang)品(pin)強度偏低的(de)主要(yao)原因。
注(zhu)漿成(cheng)型但未添加PAA-NH4的(de)坯體(ti)于(yu)1 500℃燒(shao)結(jie)(jie)4、8、12 h其密度均已高(gao)于(yu)99%, 燒(shao)結(jie)(jie)體(ti)強度無(wu)太大差(cha)異, 介于(yu)550~580MPa。經觀察樣品(pin)張力面(mian)與破(po)裂面(mian)發現(xian), 破(po)裂源是(shi)在各(ge)個(ge)樣品(pin)中均可(ke)觀察到的(de)長(chang)(chang)條形(xing)孔(kong)洞(dong) (圖10d、e) , 長(chang)(chang)度為(wei)10~30μm, 該缺陷在生(sheng)坯中即已存在且燒(shao)結(jie)(jie)后仍無(wu)法(fa)排除;圖10f所示, 經1 500℃/12 h燒(shao)結(jie)(jie)的(de)樣品(pin)也可(ke)發現(xian)晶粒異常成(cheng)長(chang)(chang), 其尺寸與長(chang)(chang)條形(xing)孔(kong)洞(dong)類似, 也可(ke)視為(wei)破(po)裂源之(zhi)一。
注漿(jiang)成型(xing)添(tian)加(jia)0.35%PAA-NH4的(de)坯體經1 500℃燒結(jie)(jie)其抗(kang)彎強度(du)(du)隨燒結(jie)(jie)時間的(de)增加(jia)展現(xian)出(chu)明顯的(de)差異(yi)。持溫(wen)(wen)4h燒結(jie)(jie)體尚未(wei)完全致密(mi)化(hua) (密(mi)度(du)(du)為(wei)(wei)98%) 強度(du)(du)較低 (約為(wei)(wei)574 MPa) ;持溫(wen)(wen)8h燒結(jie)(jie)體密(mi)度(du)(du)已達(da)99%以上, 且(qie)微(wei)結(jie)(jie)構(gou)中難以發現(xian)缺陷及裂縫, 故強度(du)(du)提(ti)升至(zhi)775MPa;持溫(wen)(wen)12h微(wei)結(jie)(jie)構(gou)中生成相似(si)于其他兩種樣品所(suo)含(han)的(de)異(yi)常成長經歷(li) (圖(tu)10g) , 導致強度(du)(du)降(jiang)至(zhi)585MPa。
由上述對Al2O3燒結體強度與破裂源的分析可知, 經不同成型方式 (單軸加壓成型或注漿成型) 以及成型參數的控制 (漿料中有機分散劑的含量) , 將使生坯及燒結體產生不同尺寸的缺陷并決定其強度的高低, 筆者即是通過漿料特性的改變以及注漿成型法獲得結構均勻無裂縫的生坯, 進而燒制出強度高達775 MPa的Al2O3陶瓷體 (圖10h) , 平均晶粒大小約為1.3μm。照片中較為明顯的晶粒為粉體系統中既存的ZrO2, 其大小在0.3μm以下, 結晶相屬四方晶相。一般對Zr O2韌化Al2O3陶瓷而言, Zr O2添加量若大于15%, 其晶粒大小需控制在接近四方晶相→單斜晶相→ZrO2相(xiang)的(de)相(xiang)轉換臨界(jie)晶徑(jing) (約0.7μm) , 方(fang)能使(shi)陶瓷(ci)體(ti)具有韌性、強度(du)上的(de)提升效果, 然而在此樣(yang)品中Zr O2含量僅為5%且粒子小于其(qi)相(xiang)變臨界(jie)晶徑(jing), 故陶瓷(ci)體(ti)的(de)高強度(du)應非由其(qi)貢獻。
根據(ju)(ju)(ju)Hall-Petch理論(lun)(lun)[9]縮減陶瓷(ci)體(ti)(ti)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)是(shi)一種(zhong)提高(gao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)有效方法, 故將(jiang)以(yi)往研(yan)究與本研(yan)究結(jie)(jie)(jie)(jie)果列于(yu)圖11以(yi)觀察強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)與晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)之間的(de)(de)(de)關系, 其(qi)中虛線(xian)是(shi)根據(ju)(ju)(ju)Griffith理論(lun)(lun)[10]繪制(zhi)。由圖11可知(zhi), Al2O3陶瓷(ci)體(ti)(ti)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)確實(shi)隨著晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)縮減而(er)遞增, 如晶(jing)(jing)粒(li)由30μm減至(zhi)1~2μm時其(qi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)由100 MPa升至(zhi)500~600 MPa;Spriggs等[11]以(yi)熱壓燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)制(zhi)備出不同晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)氧化鋁(lv)燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)體(ti)(ti) (2~100μm) , 其(qi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)演變與Griffith理論(lun)(lun)預(yu)測(ce)趨勢相(xiang)似。然而(er)觀測(ce)更多以(yi)往的(de)(de)(de)研(yan)究[12-13]數據(ju)(ju)(ju)發(fa)現, 強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)實(shi)驗(yan)值(zhi)偏離預(yu)測(ce)值(zhi)是(shi)一種(zhong)常見現象, 這是(shi)由于(yu)陶瓷(ci)體(ti)(ti)實(shi)際(ji)情況不符(fu)合HallPetch理論(lun)(lun)假設所致, 亦即(ji)裂(lie)縫(feng)(feng)長(chang)度(du)(du)(du)(du)不等于(yu)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun), 尤其(qi)是(shi)對(dui)晶(jing)(jing)粒(li)較小燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)體(ti)(ti), 一些制(zhi)程因(yin)素(su) (如對(dui)坯(pi)(pi)體(ti)(ti)前(qian)處理, 對(dui)燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)體(ti)(ti)研(yan)磨、拋(pao)光, 或(huo)樣品的(de)(de)(de)污染等) 而(er)導入的(de)(de)(de)非(fei)本質裂(lie)縫(feng)(feng)將(jiang)是(shi)決定陶瓷(ci)體(ti)(ti)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)主要因(yin)素(su)。而(er)本研(yan)究制(zhi)備的(de)(de)(de)高(gao)致密、晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)約(yue)為(wei)1.3μm的(de)(de)(de)氧化鋁(lv)陶瓷(ci)體(ti)(ti), 其(qi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)明顯高(gao)于(yu)具有相(xiang)同晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun)的(de)(de)(de)以(yi)往研(yan)究實(shi)驗(yan)數據(ju)(ju)(ju)及其(qi)理論(lun)(lun)預(yu)測(ce)值(zhi), 原因(yin)在于(yu)整(zheng)體(ti)(ti)陶瓷(ci)制(zhi)程上(shang)對(dui)于(yu)生坯(pi)(pi)中裂(lie)縫(feng)(feng)及燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)參數的(de)(de)(de)控制(zhi)使燒(shao)(shao)結(jie)(jie)(jie)(jie)體(ti)(ti)中裂(lie)縫(feng)(feng)的(de)(de)(de)長(chang)度(du)(du)(du)(du)小于(yu)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)(chi)寸(cun), 以(yi)Griffith理論(lun)(lun)推(tui)算(suan)結(jie)(jie)(jie)(jie)果為(wei)0.67μm, 僅為(wei)晶(jing)(jing)粒(li)大小的(de)(de)(de)1/2。
圖11 本研(yan)(yan)究與以(yi)往研(yan)(yan)究制備燒結體樣品抗彎強度與晶(jing)粒尺寸的(de)關系(xi)
3 結論
研究使(shi)用(yong)α-Al2O3微(wei)粉作(zuo)為起始(shi)原(yuan)料(liao)(liao), 分(fen)別利用(yong)單(dan)軸加(jia)壓成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)以(yi)(yi)及(ji)(ji)注漿(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)制(zhi)備(bei)(bei)生(sheng)坯(pi), 通(tong)過(guo)制(zhi)程上的(de)(de)改善可制(zhi)備(bei)(bei)出高(gao)強(qiang)度(du)氧化鋁(lv)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)體(ti)(ti)(ti)。1) 單(dan)軸加(jia)壓成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)前, 先將(jiang)造粒粉體(ti)(ti)(ti)中(zhong)既(ji)存的(de)(de)有(you)機物通(tong)過(guo)焙(bei)燒(shao)的(de)(de)方法脫除, 可促使(shi)團(tuan)粒受壓時由塑性變形轉變為脆性破(po)裂(lie)(lie), 生(sheng)坯(pi)微(wei)結(jie)構中(zhong)的(de)(de)缺(que)(que)陷密(mi)度(du)將(jiang)大幅下(xia)降。2) 注漿(jiang)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)時PAA-NH4添(tian)加(jia)量(liang)對氧化鋁(lv)漿(jiang)料(liao)(liao)黏度(du)的(de)(de)影(ying)響很大, 當其添(tian)加(jia)量(liang)足(zu)以(yi)(yi)使(shi)分(fen)散(san)劑(ji)分(fen)子間(jian)開(kai)始(shi)產生(sheng)架(jia)橋(qiao)作(zuo)用(yong)時, 漿(jiang)料(liao)(liao)黏度(du)也(ye)將(jiang)開(kai)始(shi)表(biao)現出急劇(ju)上升的(de)(de)趨(qu)勢。3) 經生(sheng)坯(pi)特性 (密(mi)度(du)與微(wei)結(jie)構) 觀察、陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)體(ti)(ti)(ti)強(qiang)度(du)測試及(ji)(ji)破(po)裂(lie)(lie)源檢測提出一種(zhong)漿(jiang)料(liao)(liao)設(she)計觀點, 即分(fen)散(san)劑(ji)添(tian)加(jia)量(liang)應是(shi)已很過(guo)飽(bao)和(he)吸附但還不(bu)至于(yu)開(kai)始(shi)大量(liang)產生(sheng)分(fen)子間(jian)架(jia)橋(qiao)作(zuo)用(yong), 此時亦是(shi)漿(jiang)料(liao)(liao)黏度(du)隨分(fen)散(san)劑(ji)添(tian)加(jia)量(liang)開(kai)始(shi)急劇(ju)上升之處(chu), 多余而(er)未被吸附的(de)(de)高(gao)分(fen)子可發(fa)揮黏結(jie)粉末粒子的(de)(de)作(zuo)用(yong), 可有(you)效避免生(sheng)坯(pi)干燥過(guo)程的(de)(de)裂(lie)(lie)縫(feng)生(sheng)成(cheng)(cheng), 在適當溫度(du)/時間(jian)燒(shao)結(jie)后的(de)(de)致密(mi)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)無明顯缺(que)(que)陷存在, 因而(er)表(biao)現出高(gao)達(da)775 MPa強(qiang)度(du)值(zhi)。4) 實(shi)驗制(zhi)備(bei)(bei)氧化鋁(lv)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)強(qiang)度(du)高(gao)于(yu)文獻中(zhong)相(xiang)似粒徑大小陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)體(ti)(ti)(ti)強(qiang)度(du), 主要是(shi)因為濕式成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)制(zhi)程的(de)(de)控制(zhi)有(you)效縮(suo)減了燒(shao)結(jie)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)微(wei)裂(lie)(lie)縫(feng)尺寸, 據(ju)Griffith理論估(gu)算可得(de)裂(lie)(lie)縫(feng)大小僅為晶粒尺寸1/2。