SiC颗粒弥散快速热压烧结Al2O3、ZrO2材料的研究
周耀++莫青谊++江夏
摘 要：本文在Al2O3、ZrO2 原料中掺加入10wt%的高纯SiC粉，进行快速热压烧结，得到完整的致密无孔的制品。其各自的力学性能与相应无压烧结的制品相比有一定程度的提高。通过SEM分析内部微观结构发现，SiC是以颗粒弥散方式分布于制品内部，SiC的加入改善了材料的热性能，如：热膨胀系数、热导率等，使制品能快速烧结而不开裂。
关键词：Al2O3；ZrO2；SiC；颗粒弥散；热压烧结
1 前言
Al2O3、ZrO2是目前得到广泛应用的工程结构陶瓷材料，这两种陶瓷材料具有良好的机械力学性能，如：高硬度、高抗折强度，以及耐高温、耐腐蚀等，可作为耐磨轴、套、阀、密封件等多种用途。由于Al2O3、ZrO2属离子键化合物，在正常空气条件下高温较易烧结，所以，制备生产这两种陶瓷产品的烧结过程大部分是在空气气氛中经无压烧结而成。只是在制备透明Al2O3产品时较多使用氢气气氛。对于这两种材料，正常的空气气氛无压烧结就可以得到接近理论密度的产品。如：99 Al2O3的密度可达到3.9 g/cm3左右，3Y- ZrO2制品密度可达到6.0 g/cm3左右。
在有些高端用途，如：工业刀具、耐磨轴等，为进一步提高材料的密度、硬度等指标，完全消除制品的内部封闭气孔等缺陷，提高使用寿命，可采用热压方式对Al2O3、ZrO2材料进行烧结。考虑到这两种材质的热膨胀系数较高（8～10×10-6/℃），而热导率不高（20～40 W/m·K），与热压炉内的石墨材质配件和石墨模具有较大差异。因此，在热压烧结时，需调整好工艺参数，延长升降温时间，延长烧成周期。这样一方面降低了效率；另一方面因热压本身的特点易造成材料内部的应力不均，影响制品的质量。本文尝试在原料中加入具有高热导率、高硬度的SiC组分来进行改性，期望能提高产品的性能和加快热压烧结过程。
2 实验内容
2.1 实验原料
本实验所采用的原料Al2O3、ZrO2均为国产，SiC为德国进口。其纯度、粒度如表1所示。
2.2 实验工艺
按90wt% Al2O3 +10wt%SiC和90% ZrO2 +10%SiC的配方比例配制原料，加入80%无水乙醇，放入尼龙球磨罐中，球磨介质使用99.9%纯度的Φ10mm和Φ5mm Al2O3 球，滚动球磨48 h后出浆干燥，预压装入石墨模具中，进行热压烧结。最高烧成温度分别为1650 ℃和1500 ℃，保温1 h，最高压力为20 MPa。图1为热压烧结温度曲线。整个热压烧结周期为5h，制备得到的样品完整无裂。
为了与热压烧结作对比，对Al2O3、ZrO2 材料作无压空气气氛烧结试验。Al2O3喷雾粉和ZrO2喷雾粉均经过干压等静压，等静压压力为150 MPa。最高烧成温度分别为1700 ℃和1500 ℃，保温为2 h。整个烧成周期为28 h。图2为无压烧成曲线。
2.3 试样性能测试方法
无压烧结和热压烧结完成后，将样品加工成3 mm×4 mm×40 mm的抛光试条，每一种类分别用5件样品作抗折强度测试、5件作硬度测试、5件用切口梁法作断裂韧性测试，取各自的平均值作为表征数据。同时，用排水法测试密度，用扫描电子显微镜（SEM）测试断口表面形貌。
3 结果分析与讨论
3.1 样品的力学性能分析
表2为试验的各种材质在无压烧结和热压烧结下的力学性能参数，包括吸水率、密度、硬度、抗折强度和断裂韧性。
实验表明：对于无压烧结Al2O3，纯度提高，其各性能参数均有较明显的提高。掺入SiC组分后，由于SiC的密度明显比Al2O3 的低，总体密度有明显下降。但其力学性能，如：硬度、强度、韧性值等均比两种无压Al2O3 的性能数据高。同样，在ZrO2 中掺入SiC组分后进行热压烧结，密度明显下降，其力学性能则有较明显提高。力学性能数据的提高主要得益于热压烧结工艺以及SiC的掺入。通过热压烧结，可以加快材料的致密化速率和致密化程度，即一方面可以缩短烧结时间；另一方面又可以进一步消除内部空隙，达到更完全的致密化。
SiC为强共价键化合物，无压低温下难以烧结，也难与其它化合物发生固相反应。在热压条件下，通过外加压力在Al2O3、ZrO2 粒子发生高温蠕变时，将SiC粒子包裹，使SiC粒子以颗粒弥散状态存在于Al2O3、ZrO2 制品内部，达到致密化。这样，一方面使材料致密；另一方面又充分发挥SiC热膨胀系数低、热导率高的特点，在短时间内完成升温降温的烧结过程，制品完整无裂。
3.2 样品的微观结构分析
图3～图7为1#～5#材料的SEM断口表面形貌。
从图3～图5中可以看出，无压烧结的Al2O3、ZrO2 微观结构均匀致密，仅仅存在少量微小的内部封闭气孔。与热压烧结相比，无压烧结Al2O3和ZrO2的晶粒有明显增大。 从图6～图7中可明显看到，较大的SiC粒子以颗粒弥散的方式分布于材料内部，内部微观结构非常致密。一方面提高了材料的力学性能；另一方面发挥出了SiC优良的热学性能，利于快速烧结出完整的制品。
4 结论
（1） 掺加SiC的Al2O3、ZrO2 材料可以快速热压烧结得到完整无裂的制品，其力学性能比无压烧结的材料有一定程度的提高。
（2） 热压烧结可以使含SiC的Al2O3、ZrO2 材料烧结致密化，SiC以颗粒弥散的方式存在于制品内部，发挥出SiC的优异热学性能，短时间内可烧结出完整的制品。
