两步法烧结亚微米晶粒尺寸的氧化铝

圆园员愿年员园月第源猿卷第缘期耐火与石灰

两步法烧结亚微米晶粒尺寸的氧化铝

摘 要院验证了两步烧结法的适用性对于抑制亚微米氧化铝在最后阶段的晶粒长大中的作用遥为了降低孔隙率袁且不出现显著的晶粒长大袁第一步加热的时间应该较短袁在员源园园耀员源缘园益相对较高的温度下进行曰第二步在大约员员缘园益左右的温度下促进样品的致密化袁并且限制晶粒生长遥使用两步法烧结制备的细晶氧化铝的相对密度为怨愿援愿豫袁晶粒尺寸为园援怨滋皂遥采用标准烧结工艺袁陶瓷的相对密度相同袁但晶粒尺寸为员援远滋皂遥

关键词院亚微米晶粒曰氧化铝曰两步烧结法中图分类号院栽匝员苑缘援苑员圆文献标识码院粤文章编号院员远苑猿原苑苑怨圆渊圆园员愿冤园缘原园园缘缘原园猿

员 前言

据报道袁细晶氧化铝渊晶粒尺寸在猿园园灶皂耀员滋皂

之间冤具有高硬度尧高机械强度以及良好的耐磨性袁

可以应用于切割刀具遥氧化铝能透过红外线袁若烧

结密度高渊残余孔隙率约园援员豫冤袁也能透过可见光遥

因此袁它可以用作高压钠包膜的材料袁或金属卤化物

放电灯袁以及高弹道防护的透明装甲遥通过进一步

减小晶粒尺寸和完全消除残余孔隙率袁可以显著提

高可见光的线性透过率遥因此袁有助于完全消除残

余孔隙且同时保持超细晶粒显微结构的工艺袁具有

重要的商业意义遥悦澡藻灶等人报道了两步法烧结工艺袁成功地应用

于不经过最后阶段晶粒长大的纳米级钇粉的致密

化遥他们假设袁在一个叫做野动力学窗口冶的温度区

间内袁致密化已经开始运作袁而晶界运动还没有被激

活遥该温度区域中的烧结导致在没有最终阶段晶粒

生长的情况下消除残余孔隙遥此方法已成功应用于

镍铜锌铁氧体尧钛酸钡尧氧化锆尧纳米碳化硅粉末的

液相烧结遥然而袁对于氧化铝的两步烧结的应用存

在问题袁因为氧化铝中致密化激活能实际上高于晶

粒生长的活化能遥如果为真袁则不存在可以实现氧

化铝的致密化却不发生晶粒生长的温度区间遥本文

报道了两步烧结法在纳米氧化铝粉体致密化中的成

功应用遥利用初始粒度员园灶皂的氧化铝粉末制备了

粒度为苑园灶皂且理论密度渊相对密度冤为怨缘豫的氧

化铝遥然而袁众所周知袁大多数的晶粒生长发生在消

除最后圆豫残余气孔的过程中袁因此袁实验的目的只

是验证两步烧结法完全消除亚微米氧化铝中残余孔

隙的适用性袁并确定在最后没有晶粒生长阶段时消除残余孔隙的温度区间遥

圆 实验步骤

所选的氧化铝粉体平均粒径为员缘园耀圆园园灶皂袁比

表面积为员源援缘皂圆窑早原员袁在员园园酝孕葬下进行了单轴压

制遥采用两步法烧结制度在以酝燥杂蚤圆为加热元件的

电炉中袁在空气中烧结直径为员圆皂皂尧厚度为猿皂皂的

圆片遥第一步加热到温度栽员渊员猿猿园耀员源缘园益冤袁加

热速率为渊员园耀缘园冤益窑皂蚤灶原员袁不保温袁然后迅速以

缘园益窑皂蚤灶原员的速率冷却至栽圆遥温度区间栽圆为员员园园耀员员远园益袁保温时间为猿耀圆源澡遥采用标准烧结法渊升

温速率员园益窑皂蚤灶原员袁停留时间园援缘耀员圆澡袁最高温度

员圆园园耀员猿缘园益冤烧结了几个圆片袁以获得标准材料袁

并与标准烧结试样的致密化程度和晶粒长大程度进

行了比较遥用汞浸没法测定了烧结样品的密度袁用琢原粤造圆韵猿渊猿援怨愿早窑糟皂原猿冤的相对密度豫表示遥切开烧

结后的样品袁用金刚石浆料抛光至员皂皂袁并且在员员园园益空气中热侵蚀猿澡遥用扫描电子显微镜在抛

光和热腐蚀截面上观察了显微结构遥用线性截距法

测定了平均晶粒尺寸遥

猿 结果与讨论

猿援员 标准烧结

表员列出了标准一步烧结工艺的结果遥在相对

温和的条件下袁由于所用粉末的烧结性能好袁相对

密度可达到怨怨豫遥然而袁致密化伴随着的晶粒显

著长大遥在员猿缘园益烧结员澡后袁氧化铝颗粒的平均

粒径为渊员援远依园援圆冤滋皂袁比原始粒度增大了愿倍遥无

异常晶粒生长遥在许多情况下袁即使在相对密度高渊跃怨愿豫冤的样品中袁由于原始粉末中存在团聚体袁窑缘缘窑砸耘云砸粤悦栽韵砸陨耘杂驭蕴陨酝耘韵糟贼援圆园员愿灾燥造援源猿晕燥援缘

导致了有差别的烧结袁从而观察到较少的烧结区域遥

值得注意的是袁氧化铝在员猿缘园益保温猿园皂蚤灶袁晶粒从员援员滋皂到员援远滋皂显著长大袁其相对密度从怨愿豫增

加到怨愿援苑豫袁仅变化园援苑豫渊表员冤遥

表员 以圆园益窑皂蚤灶原员的升温制度采用标准一步法烧结的氧化铝的相对密度和晶粒尺寸加热温度和保温时间员圆园园益袁员圆澡员圆缘园益袁源澡员猿园园益袁员澡员猿园园益袁圆澡员猿缘园益袁园援缘澡员猿缘园益袁员澡相对密度辕豫怨缘援源怨苑援缘怨苑援圆怨愿援苑怨愿援园怨愿援苑晶粒尺寸辕滋皂园援远依园援员园援愿依园援圆员援园依园援圆员援员依园援猿员援员依园援圆员援远依园援圆

猿援圆 两步法烧结

在烧结的第二步低温阶段成功致密化的先决条

件是孔隙变得亚临界和抗收缩不稳定遥根据悦澡藻灶

等人的论文可知袁这个阶段是在纳米氧化钇中当相

对密度超过苑园豫时实现的遥他们认为在第一步后袁苑缘豫的相对密度足以在动力学窗口进行低温热处

理袁使钇完全致密化遥然而经验表明袁对于使用过的

氧化铝粉末来说袁苑缘豫的相对密度是不够的袁在采用

第二步低温烧结之前袁对于氧化铝来说袁闭口孔隙率

水平应达到怨圆豫相对密度遥然而袁这一数值不能说

对所有氧化铝粉末普遍有效袁蕴蚤等人在第二步观察

到密度显著增加袁第一步后的密度仅为愿圆豫左右遥

这可归因于使用了纳米粉末渊粒度为员园灶皂冤和相对

较小的生坯孔隙尺寸遥在较低密度下获得临界孔

径袁粒径为员缘园耀圆园园灶皂的栽酝原阅粤砸粉末遥首次实

验表明袁在不保温的情况下袁加热至栽员越员猿猿园益袁可

制备出相对密度为怨园援怨豫的氧化铝袁即相对密度略

低于封闭孔隙期的相对密度遥第二步在员员园园耀员圆园园益之间保温袁无论温度高低袁都不能消除残余

孔隙率遥但第二步温度栽圆越员员缘园益时袁并在此温

度下保温愿澡后袁在可忽略的晶粒生长或晶粒不生

长的情况下发生了一些致密化袁最终相对密度为怨圆援远豫遥

加热至员源园园益袁不保温袁试样相对密度为怨圆援远豫遥在这种情况下袁第二步之后袁相对密度显著

增加遥当温度栽圆臆员员圆缘益时袁未观察到额外的致密

化袁在栽圆越员员缘园益时袁密度提高到怨苑援源豫袁保温圆源澡

后晶粒没有显著长大遥通过将栽员提高到员源缘园益袁

在第一步烧结过程中已经观察到了相当大的致密化

和晶粒长大遥

探索了升温速率的影响遥升温速率越快袁密度

越低袁晶粒尺寸越小院以圆园益窑皂蚤灶原员的速率升温至员源园园益且不保温的情况下袁平均晶粒尺寸为渊园援源依

园援员冤滋皂袁相对密度为怨缘援园豫遥升温速率为猿园益窑皂蚤灶原员时袁相对密度为怨猿援员豫袁平均晶粒尺寸为渊园援猿依园援员冤滋皂遥这些结果很明显是由于在发生致

密化和晶粒长大的温度下袁如果采用更快的加热速

率袁致密化所需的时间更短遥为了消除有效时间短的

负面影响袁同时利用较高的加热速率袁以缘园益窑皂蚤灶原员的

升温速率加热到员园园园益袁然后以圆园益窑皂蚤灶原员的速率加

热到员源圆园益遥缘园益窑皂蚤灶原员的加热速率比圆园益窑皂蚤灶原员

的加热速率的致密度低渊也可能是由于最高温度栽员较低冤袁但微结构细化是明显的院在员员缘园益的第二

步烧结中没有检测到晶粒生长袁并且具有密度相当

的样品的晶粒尺寸也小得多渊图员冤遥显微组织为等

轴晶氧化铝颗粒袁直径约为员园园灶皂袁有少量孤立的球

形孔遥类似于以传统方式烧结的材料咱图圆渊葬冤暂袁

观察到较少烧结的区域咱图圆渊遭冤暂遥

图员 不同升温速率下两步法烧结氧化铝的相对密度与粒径关系的曲线渊在栽圆保温冤

阴院升温速率圆园益窑皂蚤灶原员袁栽员越员源缘园益袁栽圆越员员缘园益曰荫院升温速率缘园益窑皂蚤灶原员

加热到员园园园益袁然后圆园益窑皂蚤灶原员加热到栽员越员源圆园益袁栽圆越员员缘园益

在栽员为员源园园益和员源圆园益进行了两步烧结袁在栽圆为员员缘园益时袁保温时间为猿耀圆源澡袁导致了密度的

显著增加袁没有晶粒或只有有限的晶粒生长遥在相

同的相对密度下袁烧结试样的晶粒尺寸远小于以标

准方式烧结的试样的晶粒尺寸渊图猿冤遥无晶粒生长

的温度区间低于员员圆缘益遥上限温度是即将进行的窑远缘窑圆园员愿年员园月第源猿卷第缘期耐火与石灰

研究课题袁但如果温度高于员员缘园益袁就不太可能在

不发生晶粒生长的条件下成功地实现致密化遥这些

数据与蕴蚤等人的结果相矛盾袁蕴蚤等人在员猿猿园益下

需要缘园澡才能实现怨缘豫的相对密度袁起始粉末粒径

为员园灶皂渊本实验中使用圆园园灶皂粉末冤遥这种细粉必

须非常活泼袁易于烧结袁因此袁为什么需要如此苛刻

的条件才能达到高密度的原因仍然值得怀疑遥

图圆 致密的氧化铝和残余孔隙率较高区域的显微结构渊标尺为员滋皂冤

两步烧结法获得的最高密度为理论密度的怨愿援愿豫遥根据观察到的趋势可以预计需要很长的保

温时间渊数百小时冤袁在员员圆缘益约栽圆臆员员缘园益时将

达到所需的理论密度遥然而袁宰葬灶早等人报道了在恒

定晶粒尺寸烧结过程中的保温时间遥在晶粒停止生

长的一段时间后袁晶粒又再次生长遥因此袁如果在栽圆保温时间非常长袁则必须考虑到这种影响遥然而袁只有在均匀致密化的情况下袁这些考虑才有意

义遥在本实验中袁采用标准烧结和两步烧结的方法

对致密样品进行了不同烧结袁这是氧化铝颗粒在单

轴压制生坯中堆积不完全的结果遥采用合适的湿成

型方法和制备无缺陷坯体袁是两步烧结完全消除残

余孔隙的必要条件遥

图猿 采用标准法和两步法烧结制备的多晶氧化铝相对密度与粒径关系的曲线

源 结论

验证了两步烧结法对亚微米级氧化铝烧结工艺

的适用性遥在烧结的最后阶段袁晶粒的生长并没有

完全受到抑制袁但是所得的显微组织比传统烧结的

氧化铝中的晶粒更细遥未经处理的氧化铝粉末经干

式单轴压制得到的生坯中存在团聚体袁阻碍了残余

孔隙的完全消除袁导致了在烧结过程材料中存在着

密度较低的区域遥

王 韬 李志辉 编译杨 杨 校收稿日期院圆园员愿原园缘原圆园窑苑缘窑