氧化钇对刚玉—莫来石陶瓷的显微结构和性能影响
邱和林++梁章发++方仁德++杨华亮
摘 要：本文以粘土、氧化鋁粉及刚玉砂和硅酸锆细粉等原料为基础配方，以羧甲基纤维素钠（CMC - Na）为添加剂，引入氧化钇，考察氧化钇对复合材料的性能影响。设计了五组试验进行对比研究，氧化钇的含量依次为0、0.05%、0.1%、0.5%、1%，试验结果表明：经1660℃烧成，吸水率先降低后增大，最后降低，体积密度先增大后降低，最后增大并趋于稳定，氧化钇的含量为0.5%时，达到较佳性能，体积密度为2.83 g/cm3，此时从烧结体的扫描电镜可以看出，莫来石晶体发育较好，呈针状交错分布，并交织成网状，强度最佳。
关健词：针状莫来石；氧化钇
1 引言
莫来石 - 刚玉质复相陶瓷因同时具有莫来石相熔点高、热膨胀系数低、抗蠕变、抗热震和刚玉相弹性高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化及高温蠕变速率低等特点，使得其性能优越于纯刚玉陶瓷和纯莫来石陶瓷；一般刚玉莫来石质陶瓷的强度受其组成影响较大，但受其结构影响性能的较少，本文研究外加剂对晶体生长和形貌的影响，最终影响其高温力学性能。
2 试 验
2.1 刚玉莫来石陶瓷的制备
根据原料及组成点的化学组成进行配方计算，按照下列工艺过程制备试样：原料 → 配料 → 湿法球磨 → 干燥、造粒 → 成型 → 干燥 → 烧成，细磨料全部过200目筛，加入一定量的添加剂，采用半干压法压制成型，成型压力为30 MPa，成型添加剂分别为2.5%的CMC - Na，在试验中分别添加0.05%、0.5%和1%的氧化钇（试样编号分别为1#、2#、3#），并用空白样进行对比（试样编号为0#），试样尺寸（mm）为： 50 × 10 × 5。坯体干燥后，将各试样在硅钼棒炉中于1660℃保温6 h 烧成，停止加热后随炉温自然冷却。
2.2陶瓷的性能表征
采用阿基米德法测试烧结体的吸水率、孔隙率和体积密度，利用Y - 4型的X射线衍射仪分析试样的晶相；采用JM - 6460LV型扫描电子显微镜观察试样的断面微观形貌；利用三点弯曲法测量烧结体的抗折强度。
3 结果与讨论
3.1 试样的烧结状况
从图1可知，氧化钇的引入促进了陶瓷的烧结，吸水率由8.14%降低到7.81%，体积密度由2.71 g/cm3升高至2.73 g/cm3，随着加入量的增加，当加入量为0.5%时，吸水率迅速下降，为6.14%，体积密度显著升高，为2.83 g/cm3，这说明氧化钇不仅仅促进烧结，对烧结体的结构影响较大，加入量进一步提高，烧结体的吸水率略有降低，但不是很明显，趋于稳定。
3.2 氧化钇对烧结体的结构影响
我们知道，材料的性能取决于材料的组成和结构，包括晶体大小、气孔大小及分布、玻璃相多少及分布状况等对陶瓷的性能影响较大，但最为重要的影响因素是其显微结构及形貌，因此本文就晶体生长及其形貌对性能的影响进行研究。
从上表可以看出，0#配方和1#配方的物相结构基本相当，从烧结性能可以看出，吸水率稍有降低，这可能是氧化钇促进烧结作用的结果，1#可以看出，莫来石的含量增大显著，这是因为氧化钇在烧结过程中具有促进莫来石生长的作用，在莫来石晶核刚形成时，在高温和氧化钇的作用下，一次莫来石晶核迅速长大，与此同时加速二次莫来石的形成。2#和3#两个样品的物相可知，物相的含量也基本相当，并结合烧结性能可知，2#配方的烧结体体积密度已经趋于稳定，说明在氧化钇的作用下，2#配方已经达到了烧结性能。
虽然物相的含量基本相当，但是其晶体形貌生长情况不同，所带来的的陶瓷的性能也不尽相同。
从SEM照片可以看出，0#和1#结构进行对比发现，1#配方的莫来石晶体生长的较粗，这是由于微量氧化钇的引入，在高温作用下，促进了二次莫来石的生长发育，晶体最大约为10 μm，但是表面的玻璃相将部分小晶体所包裹，没有明显的晶界，随着氧化钇含量的提高，玻璃相较少，这是由于氧化钇在高温时，争夺硅酸锆中分解出来的二氧化硅，与铝粉快速发生反应，形成莫来石晶核，并促进形成二次莫来石的晶体，莫来石晶体为针状莫来石晶体[1]，如图2中的2#所示，随着氧化钇的进一步增加，针状晶体生长为柱状晶体，并且部分被玻璃相所包裹，这是由于氧化钇在高温下所给予的能量促进了晶体横向生产，但部分晶体被玻璃相所浸润，没有明显的晶界，晶界能显著降低，这对性能不利。
3.3不同粘结剂配方对烧结体的性能影响
从图3可以看出，三个试验的抗弯强度分别为20.1 MPa、20.5 MPa、25.7 MPa和23.2 MPa，与前面的微观结构分析一致，2#配方的晶体生长与形貌最佳，陶瓷的高温力学性能越好。
4 结论
（1） 氧化钇的引入促进了陶瓷的烧结，烧结性能有所提高；
（2） 氧化钇的引入促进二次莫来石的形成及生长，形成针状莫来石结构，高温力学性能最佳，为25.7 MPa；
（3） 过量的氧化钇促使针状莫来石转化成柱状莫来石，高温力学性能下降。
参考文献
[1] 张旭东，等. 细小针状莫来石的合成 [J]. 山东轻工业学院学报， 1991， 5（2）：31-36.
