【正文】 .......................................................... 16 結 論 ........................................................................................................................ 16 參考文獻 ........................................................................................................................ 17 致 謝 ........................................................................................................................ 18 聲 明 ........................................................................................................................ 19 第 1 頁 共 19 頁 1 引言 陶瓷是以粉體為原料，通過成型和燒結等所制得的無機非金屬材料制品的統(tǒng)稱。甚至在有些情況下，陶瓷是唯一能選用的材料。 20xx年， Murotani等 [2]制備了摻 Cr3+的 Al2O3多晶陶瓷，但其氣孔率高達 24%，材料不透明。該成果可以降低產品生產成本、提高生產效率、制造大尺寸和形狀復雜的樣品等 [4]。另外，使用 X射線衍射儀 (XRD)研究摻雜濃度對 Al2O3陶瓷晶格參數(shù)的影響。 2 氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷至今是一種重要的陶瓷材料，其 主要原料是 氧化鋁 (Al2O3)。透明陶瓷與玻璃相比，具有高強度、高硬度、高韌性以及更好的抗表面損壞性能；與單晶相比，制備溫度低、生產周期短，而且在大尺寸和結構設計上比單晶更容易實現(xiàn)。氧化鋁陶瓷由于機械強度高、絕緣強度大，用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和外殼、電火花等 [6]。氧化鋁陶瓷還是主要的生物惰性陶瓷材料，這類材料在生物體內幾乎不發(fā)生變化，有良好的生物相容性 [7]。 第 2 頁 共 19 頁 氧化鋁晶體結構 Al2O3 陶瓷是以 αAl2O3 為主晶相的陶瓷材料，其同素異構體有十多種，常用的有 αAl2O3， γAl2O3， βAl2O3 三種。 γAl2O3 屬于尖晶 石型（立方）結構，氧原子呈立方緊密堆積，鋁原子填充在間隙中。工業(yè) Al2O3 中絕大多數(shù)是 γAl2O3。其結構松散，機電性能較差，但可以用來制作多孔特殊用途的材料?？諝庵屑訜?1600176。 αAl2O3呈三方晶系，單晶體也稱剛玉，室溫下結構最穩(wěn)定。鋁離子的排列要滿足鋁離子之間的間距最大，因此每三個相鄰的八面體間隙，就有一個是有規(guī)律地空著。 氧化鋁的物理性能 純的 Al2O3 是無色的氧化物（白寶石），含有 Cr 為紅色（紅寶石），含 Ti為藍色（藍寶石），含 Co、 Ni、 V 為綠色（綠寶石），含 Fe 和 Mn 時為玫瑰紅色等。C，莫氏硬度為 9，密度 ～ ，膨脹系數(shù)與金屬相當；不溶于酸，具有良好的化學穩(wěn)定性、介電性能和機械性能。 氧化鋁陶瓷中添加劑的作用及機理 就提高燒結性能而言，氧化物添加劑大致分為兩類：與 Al2O3 形成固溶體、與 Al2O3 生成液相。由于其晶格常數(shù)與 Al2O3圖 21 γAl2O3 加熱時密度變化曲線 + + Empty hale Al3+ O2 圖 22 αAl2O3 晶體結構 第 3 頁 共 19 頁 接近，因此通常能與 Al2O3 形成固溶體。 第二類由于生成液相，降低燒結溫度而促進了 Al2O3 的燒結。 原料及其加工工藝 本實驗原料為工業(yè)氧化鋁，主要晶型為低溫下十分穩(wěn)定的 γAl2O3。每個顆粒中可包含 106 個小晶體。這種多孔的疏松結構，不利于 Al2O3 晶體的相互接觸 ，因而不利于燒結，要想便于燒結還需要添加劑的輔助。本課題選用前一種，下面簡單介紹其計算步驟： 1) 根據(jù)配方計算各原料的摩爾比； 2) 按原料純度進行修正。質量百分比等于各原料的質量除以總質量； 5) 計算配料為 X 克時，各原料所需質量。同樣，在稱量、加料時，也應保證準確地按計算的配料實施。一般在 110176。選擇稱量工具時應按精度需要合理選擇。 備料工藝 備料工藝包括原料按給定配比稱量、混磨、干燥、加黏合劑、造粒，制成符合成型工藝要求的粉料。 原料的煅燒 Al2O3 有多種晶型結構，晶型結構之間相互轉變將導致體積變化，影響燒結。溫度當達到 1050176。剛開始轉化很慢，但隨著溫 第 4 頁 共 19 頁 度升高，轉化速率加快，到 1500176。為了強化此過程，可適量加入 H3BO NH4F、 AlF3 等。工業(yè)氧化鋁中含有較多的 Na2O，為了降低原料中堿金屬的含量，可加入1%～ 3%的 H3BO3，并在 1420～ 1450176。通過煅燒可減少燒結時坯體的收縮，提高粉體的活性，還能除去 Al2O3原料中的 Na2O，提高原料純度。這種合成材料通常需要經過 800～ 1300176。合成過程大多是固相反應。溫度過低，反應不充分，主晶相質量不好；溫度過高，燒塊變硬，不易粉碎，活性降低，使燒成溫度升高和變窄。合成燒塊時，必須控制有害的游離成分。 粉料的制備 為了改善氧化鋁陶瓷材料的性能、降低燒結溫度、提高樣品質量，粉料應盡量高純、均勻、超細。由于操作簡單易用，目前主要采用機械加工法。 1) 球磨。將原料和磨球裝在一個圓筒形容器球磨罐中。一般來說，球磨機轉速 越大，粉碎效率越高。磨機的臨界轉速可用下式計算： DnDDnD 40,。上式為經驗公式，式中常數(shù)由試驗確定。磨球的大小應配合適當，最大直 徑在 D/18～ D/24 之間，最小直徑為 D/40； ⑶ 球磨機裝載量。三者之比根據(jù)原料的吸水性，原料的顆粒大小和磨機裝載量的不同而異。當原料研磨至一定細度后，繼續(xù)研磨，效率將顯著降低，這是因為已粉碎的細粉對大顆粒的粉碎起緩沖作用，較大顆粒難于進一步粉碎。本實驗使用的是聚乙二醇 20xx。球磨分為干法和濕法兩種。濕法需加水或乙醇等作為分散介質，主要靠球的研磨作用進行粉碎。通常用水做分散介質，若原料中有水溶性物質，可采用乙醇等其他液體作為分散介質。隨著球磨時間的延長，球磨效率降低，細度的增加也十分緩慢。因此，球磨時間應在滿足適當細度的條件下盡量縮短。在球磨過程中不可避免地要引入雜質。對于耐酸原料，若用鋼球或鋼制球磨罐，球磨后原料需要進行酸洗除鐵。 2） 行星磨。四只一樣重的球磨罐置于同一旋轉的圓盤上，使球磨罐“公轉”，各個球磨罐又繞自身軸線“自轉”，如圖31。粉碎細度優(yōu)于球磨，粉碎時間一般 ～ 3h。在壓濾機（又稱榨泥機）上進行壓濾。 壓濾出來的泥餅通常是外硬內軟，水分分布不均 勻。困料室內溫度應保持在 20176。坯料在困置過程中，在毛細管的作用下，水分分部漸趨均勻。坯料困置時間越長，水分分布就越均勻，其成型性也就越好。 干燥、加黏合劑和造粒 為了利于燒結和固相反應的進行，原料顆粒應越細越好。使細粉料變粗的唯一辦法就是造粒。造粒工藝大致分為加壓造粒法和噴霧干燥造粒法。該法造出的顆粒體積密度大，機械強度高。 噴霧干燥造粒法是把混合好黏合劑的粉料做成料漿，或是在細磨工藝時加好黏合劑，用噴霧器噴入造粒塔中霧化。這種方法可得到流動性好的球狀團粒，產量大，適合連續(xù)化生產和自動化成型工藝。 成型 大多數(shù)坯料很少含黏土甚至不含黏土，因此，坯料大多數(shù)是非可塑性的。黏合劑的種類和加入量由成型方法、原料性質、制品的形狀、大 小等因素決定。它的作用是增加坯料的可塑性和提高坯體的強度。 常用的成型方法有擠制成型、干壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、軋膜成型、等靜壓成型、熱壓成型和流延成型等。 干壓成型是廣泛應用的一種成型方法。但 該法只適用于簡單瓷件的成型，如圓片形等，且對模具質量要求較高。為了提高坯料成型時的流動性、增加顆粒間的結合力，提高坯體的機械強度，通常需要加入黏合劑，并進行造粒。本實驗用的黏合劑為濃度為 5%的聚乙烯醇水溶液 (PVA)。加壓方式有單面加壓和雙面加壓兩種。雙面加壓時，坯體兩端直接受壓，因此，兩端密度大，中間密度小。 2) 成型壓力。成型壓力小，瓷體收縮大。成型壓力一般在 ～ 之間。干壓成型時，壓模下降的速度緩慢一些為好。因此，加壓速度宜緩，而且要有一定的保壓時間。有機黏合劑在坯體中大量熔化、分解、揮發(fā)，會導致坯體變形、開裂，因此，需要先將坯體中的黏合劑排除干凈，然后再進行樣品的燒結，以保證產品的形狀、尺寸和質量要求。其作用有 3 個： 1) 排除坯體中的黏合劑，為下一步燒結創(chuàng)造條件； 2) 使坯體獲得一定的機械強度； 3) 避免黏合劑在燒結時的還原作用。非塑性物料的膜片成型都含有大量黏合劑，燒結前應整形、排膠。將沖成的坯片，以 8～ 10 片一疊，疊放整齊，壓在光滑平整的鋼板或玻璃之間，也可在專門設計的整形夾具中夾緊，放在烘箱中，以 4176。C 保溫 4h。整形后的坯片仍具有相當好的機械強度，故仍能方便地裝缽、排膠。黏合劑不同，其揮發(fā)速率不同，排膠曲線也不同。C 自由升溫， 100176。C，升溫速率100176。C，升溫速率 40176。C 時保溫 3h。C烘烤，強度很低，不可移動，應繼續(xù)升溫，直至 900176。C，升溫速率為 100176。排膠時應注意加強通風，使有機揮發(fā)組分及 CO 等及時排出，保持爐內為氧化氣氛，這對許多易還原的功能陶瓷材料來說十分重要。該過程通常分三個階段：從室溫至最高燒 第 8 頁 共 19 頁 結溫度時的升溫階段；在高溫下的保溫階段；從最高溫度降至室溫的冷卻階段。除晶相轉變過程外，其他過程都伴有大量的氣體排出。通常吸附水在 200176。C 揮發(fā)完，結晶水和結構水的排除以及碳酸鹽的分解，視具體材料而異。因此，必須嚴格控制燒結制 度，尤其是嚴格控制最高燒結溫度和保溫時間。各種瓷料的燒結溫度范圍不同，一般黏土類陶瓷的燒結溫度范圍比較寬，約為 40～ 100176。C 左右，個別的只有 5～ 10176。在這個范圍內燒結，坯體致密性好，不吸水，晶粒細密，機械和電性能好。 冷卻階段 從燒成溫度冷卻至常溫的過程稱為冷卻階段。因此，冷卻方 式、冷卻速度快慢對瓷體最終的相組成、結構和性能均有很大的影響。慢冷等相當于延長不同溫度下的保溫時間，因此，晶體生長能力強、玻璃相有強烈析晶傾向的瓷料，晶?？赡苌L成為大的晶體，玻璃相會析晶，往往使瓷體結構和致密性差，對于這種瓷料，應快速冷卻。析晶傾向非常強的瓷料，或希望保持高溫相的瓷料，可采用快冷或淬火快冷的方法。 實驗設備 1) 稱量設備：電子天平 2) 混磨設備： PM 型行星式球磨機 3) 干燥設備： DHG9248A 型鼓風干燥箱 4) 熱處理設備： KTL1600 型管式爐 5) 樣品檢測設備： DX2700X 型 X 射線衍射儀 (XRD)、 RF5301PC 型熒光 第 9 頁 共 19 頁 分光光度計、 RTS8 型四探針測試儀 6) 加壓設備： HY12 型壓片機 摻鉻氧化鋁陶瓷的制備 1) 原料： Al2O3 是主要原料，本實驗采用的氧化鋁粉料純度在 95%以上。 2) 樣品的組成配方 表 41 Cr 摻雜 Al2O3 粉料的摩爾比配方 樣品編號 Al2O3(mol) Cr(mol) ?(Cr)(mol%) 1 2 3 按照所需濃度稱量各粉料質量如下： 表 42 Cr 摻雜 Al2O3 粉料的質量濃度配方 樣品編號 Al2O3(g) Cr(g) ?(Cr)(wt%) 1 2 3 3) 實驗樣品的制備 ⑴ 配料。按照表 42的配