不同制备工艺条件对AL2O3-SiO2/MgO-AL2O3-SiO2系微晶玻璃的物相和结构的影响

摘要

微晶玻璃由于其独特的热稳定性、优良的机械强度等特性，在机械工程、建筑装饰材料、军事设施、生物医药、电子工业等高科技领域有广阔的应用前景[34-37]。本文通过研究Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2两个体系分别采用溶胶凝胶法制备原粉，以及采用Spark Plasma Sintering(SPS)和 Hot Pressing(HP)两种烧结工艺，研究了SPS作为快速制备方法与HP两种工艺对原位合成烧结产物物相和显微结构的影响。
　　 在制粉方面，为了获得高度均匀分散的原粉，选择使用溶胶凝胶法制备。该方法与传统工艺相比制备温度要低得多，并能有效调控其组成范围，制备出传统方法难以制备的材料。本研究工作采用六水硝酸镁、异丙醇铝和正硅酸四乙酯作为前驱体在60℃的酒精溶剂中均匀混合10小时分别得到Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2的混合溶胶、凝胶，然后放到100℃下干燥，碾磨后放入马弗炉里进行初步热处理。分析和研究了Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2体系在不同温度下热处理产物的成分和反应机理；通过对差热数据分析，热处理产物在300℃条件下，有机溶剂和结合水基本消失，但并无晶相生成。在600℃时，开始有结晶反应。XRD结果表明：300℃的粉末没有明显的结晶峰，600℃的粉末才有结晶峰出现。为了同时揭示原位合成工艺对合成反应和结晶生长的影响，本研究工作采用了300℃处理的非晶态粉作为后续工艺的粉末原料。
　　 在块体制备上，采用上述二种烧结工艺制备了五种配比两个体系的样品。HP和SPS烧结二元体系工艺参数为：烧结温度1300℃、压力30Mpa。采用XRD对烧结体物相进行了分析，结果表明：两种烧结工艺制备出的样品在物相的成分上没有影响，同为莫来石相，但是产物特征峰的强度上有明显的区别，这是因为SPS制备产物存在明显的择优取向生长。微观结构的SEM和TEM分析结果表明：二种烧结工艺制备的样品在微观结构上有较大的区别，当氧化铝和氧化硅摩尔比是1:2时SPS烧结样品有长棒状、颗粒状的莫来石晶体，而HP烧结样品中只含有颗粒状莫来石晶体。配比和烧结工艺的变化对物相的成分没有明显的影响，而对产物晶相含量有明显的影响。对于HP烧结而言配比的变化并没有对微观形貌产生明显的影响，同为颗粒状形貌；SPS中随着氧化铝含量的增加，产物的形貌从长棒状变为短棒状最后变为颗粒状，配比和烧结工艺的变化对物相的成分没有明显的影响，可能由于氧化铝的增加并且SPS中不均匀的温度场使得合成莫来石反应得到增强。
　　 三元体系的烧结性能与已有报道结果有很大差异，在对烧结工艺大量探索的基础上，得到了优化的烧结工艺：热压烧结工艺参数为1300℃、压力30Mpa、平均升温速率20℃/min，温度过低无法形成致密化块体、而温度过高玻璃成分会熔化同样得不到块体；SPS烧结参数为1150℃、30Mpa、升温速率100℃/min可以得到块体，温度过高或者过低也会出现上面所述的情况。HP烧结中结晶产物的成分随配比的变化逐渐由玻璃相→顽辉石+尖晶石→尖晶石，微观形貌：分相裂纹→孤岛状→绿豆状；SPS烧结中主要结晶产物的成分没有变化，但是含量有明显的变化，同为顽辉石、尖晶石、堇青石，微观形貌同为孤岛状，配比为1:1.5时样品有烧结的现象。