快速制备莫来石密实材料及致密化机理研究

摘要

莫来石陶瓷具有优异的高温力学性能、高温冲击性能和良好的介电性能，使其广泛应用于各种行业。虽然用普通莫来石原料以传统方式烧结制备的莫来石陶瓷成本较低，可以大规模应用，但是不能完全显示出莫来石陶瓷的优异性能。现采用化学合成的方法制备出纯度高、晶粒细小且分布均匀的莫来石前驱体粉末，并利用这种高品质莫来石粉末探索先进的烧结工艺，从而制备出超细晶的莫来石陶瓷，具有重要的意义。本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备高纯、颗粒均匀且具有良好烧结活性的莫来石前驱体粉末，应用SPS烧结技术，快速制备高致密度、显微结构为类等轴晶的块体材料，获得力学性能优良的莫来石陶瓷。并且在SPS烧结基础上，探索利用两步烧结法进行烧结莫来石陶瓷，研究两步烧结法对晶粒生长、显微结构的影响及其致密化机理。
　　 本文以正硅酸乙酯(TEOS)、硝酸铝为原料，采用溶胶-凝胶工艺，以球磨工艺细化分散干凝胶形成莫来石前驱体，并利用SPS脉冲加热处理合成制备出超细莫来石前驱体粉，并以此前躯体粉为原料，研究采用SPS反应烧结制备莫来石陶瓷。研究表明：利用SPS烧结时，当烧结温度为1400℃，升温速率为100℃/min，保温时间3min，压力80MPa时，能够制备出致密度高，晶粒细小的莫来石陶瓷。改变加压时机时发现，当选择在烧结过程中1150℃加压时，可以降低烧结温度，同时促进烧结致密化并且烧结样品的晶粒尺寸更小，烧结温度降低至1380℃，制备出相对致密度为99.37％，晶粒尺寸为239nm的莫来石陶瓷，可见压力在莫来石的致密化过程中有重要作用。将莫来石前躯体压坯后200MPa冷等静压(CIP)保压5min，CIP后的样品再进行SPS烧结，结果表明，由于坯体在CIP过程中受力均匀，初始致密度较高，使用CIP处理后，利用SPS烧结，当烧结温度为1340℃时，烧结样品的致密度为96.4％，晶粒尺寸为160nm。本文设计高压模具，使样品所受的压力可达到300MPa以上，实验结果表明采用高压烧结致密莫来石陶瓷所需的烧结温度更低。
　　 本文还探索了采用两步法制备莫来石陶瓷，实验分为两种制各方案，一种方案为在SPS中烧结，直接升温到最高烧结温度然后降温保温，当第一步烧结温度为1250℃，第二步保温温度为1150℃，第二步保温时间为40min时，烧结样品的致密度有一定的增加，而晶粒尺寸有一定的控制；另一种方案是先在SPS中以最高烧结温度烧结，冷却至室温，之后在马弗炉中以一定的温度较长时间保温，当第一步烧结温度为1250℃，第二步保温温度为1180℃，第二步保温时间为15h时，烧结样品的致密度有较明显的增长，晶粒尺寸没有太大增加。当烧结方法采用SPS烧结时，能够在短时间较低温度下达到较高的致密度。而采用两步法烧结时，第一步烧结温度要低于SPS烧结致密的莫来石陶瓷温度，莫来石在烧结的过程中快速达到烧结中后期，使之有一定的密实度，之后在较低温度下较长时间保温，得到在晶粒不长大的同时实现致密化，依靠晶界扩散而抑制晶界迁移来实现。