钛酸铝柔性陶瓷的制备、性能与表征

作者：陈为为

来源：材料学, 硕士, 华南理工大学, 2019.

DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000839

• 钛酸铝
• 柔性
• 陶瓷
• 弯曲
• 微裂纹
• 形变量
• 添加剂

钛酸铝材料具有热膨胀系数低、熔点高、抗热震性能好、热导率低等优异性能,在化工、冶金、环保等领域得到了广泛应用。由于钛酸铝晶体的热膨胀系数各向异性,钛酸铝陶瓷烧结后在冷却过程中易产生大量的微裂纹,使材料机械强度降低,制约了其推广应用。但是,利用钛酸铝这一“特性”可以制备一种类似于可弯砂岩微裂纹结构的柔性陶瓷。首先,本论文以钛酸铝粉体为原料,采用固相烧结法制备了钛酸铝柔性陶瓷,详细研究了烧成温度、保温时间对陶瓷微观结构与性能的影响。研究结果表明:烧成温度、保温时间对样品的微观结构与力学性能均有较大的影响,但烧成温度的影响更为显著。其中,微裂纹的状态主要影响样品的弯曲柔性。随着烧成温度的升高,样品内部晶粒增大,微裂纹逐渐宽化,宽化的微裂纹允许晶粒在承受外加载荷时发生更大的位移,从而使样品的弯曲柔性逐渐增强。烧成时间的延长也得到相似的结果。同时微裂纹的存在也会影响样品的抗弯强度。在此基础上,系统分析了三种不同柔性样品（即NF（Non Flexible）,F（Flexible）,VF（Very Flexible））的烧结性能、微观结构与弯曲柔性,在1550℃烧结12 h的VF样品,其弯曲柔性最好,形变量达到0.53 mm（三点弯曲时两支撑点距离为30 mm）,抗弯强度为13.38 MPa。其次,本论文以Al2O3和TiO2为原料,辅以三种添加剂（MgO、Fe2O3和SiO2）,利用添加剂法制备了钛酸铝柔性陶瓷。详细研究了单元添加剂及多元添加剂对钛酸铝柔性陶瓷结构与性能的影响,通过实验确定了最佳的添加剂用量及组成配方（Al2O3 56 wt%、TiO2 44 wt%、MgO 4 wt%、Fe2O3 4 wt%,即引入二元添加剂MgO-Fe2O3的ATFM样品）。系统研究了烧成温度、保温时间对ATFM试样微观结构与性能的影响,分析了二元添加剂MgO-Fe2O3的作用机理。研究结果表明:同时引入MgO和Fe2O3能够有效降低钛酸铝的形成温度,同时促进内部长棒状晶粒以及晶界微裂纹的形成,使样品具有较好的弯曲柔性,并且也能提高材料的抗弯强度。随着烧成温度的升高,ATFM样品的弯曲柔性逐渐增加,但抗弯强度在逐渐下降。保温时间对1400℃烧成的陶瓷的弯曲柔性具有促进作用,而对更高温度烧成的陶瓷效果反而不好。1500℃保温2 h的ATFM样品具有较好的性能,其形变量为0.55 mm（三点弯曲时两支撑点距离均为30 mm）,抗弯强度高达19.57 MPa。最后,本论文对上述两种原料体系制备的性能较优异的柔性陶瓷样品（VF样品和ATFM样品）进行了对比分析。结果表明:添加剂法制备的ATFM样品烧结温度更低（1500℃）,保温时间更短（2 h）,得到的样品抗弯强度更高（19.57 MPa）,形变量更大（0.55 mm,三点弯曲时两支撑点距离均为30 mm）,弯曲循环性能也更优异。因此,添加剂法制备的柔性陶瓷在保证较高形变量的同时,也具有较高的抗弯强度。本论文利用添加剂法通过固相烧结创新地制备了钛酸铝柔性陶瓷,提高了柔性陶瓷的性能,改善了制备工艺条件,为柔性陶瓷的制备提供了一条新的实用途径,对拓宽陶瓷材料的应用具有重要意义。

• 单位
  华南理工大学