稳定钛酸铝及钛酸铝—莫来石复相陶瓷的研究

摘要

钛酸铝（AT）具有熔点高、热膨胀系数低、导热系数低、弹性模量低、抗热震和抗冲击性能优异等特点，但是存在热稳定性差和机械强度低的两大缺点，限制了其实际应用。钛酸铝—莫来石（MAT）复相陶瓷是将AT热膨胀系数低、抗热震性好的优点与莫来石机械强度、高温性能良好的特性相结合的一种新型高温材料，具有广阔的应用前景。注凝成型工艺是一种可制备高均匀性、高密度、复杂形状陶瓷制品的新型成型方法。 采用干压法和注凝法两种成型工艺，在系统地研究添加剂MgO、SiO2、Fe2O3对AT热稳定性影响的基础上，以稳定AT和工业莫来石为原料，制备了MAT复相陶瓷。通过测定其物理、力学、热学及高温性能，进行XRD和SEM分析，对其组成、工艺、结构及性能之间的关系进行了研究。 采用注凝成型工艺制备AT的研究结果表明：研磨时间、分散剂、固含量对Al2O3-TiO2注凝成型料浆的流变性能有重要影响。制备AT的最佳注凝成型工艺条件为：研磨时间4h，分散剂含量3％，固含量45％。 对AT热稳定性的研究结果表明，MgO和Fe2O3作为添加剂均能够促进钛酸铝的合成和抑制其热分解，且MgO的效果优于Fe2O3。在一定范围内提高烧成温度和延长保温时间有利于钛酸铝的合成和提高其热稳定性。MgO-SiO2、MgO-Fe2O3、Fe2O3-SiO2复合添加剂均能够抑制钛酸铝的高温热分解，其效果优于单一添加剂。添加MgO 10 mol ％和SiO215 mol ％所制备的AT试样在1100℃保温50h后没有分解，即使在保温150h后，其分解率仅为9.5％。 采用干压成型和注凝成型工艺制备MAT复相陶瓷。研究发现，干压成型的体积密度较高，抗弯强度和热膨胀系数较低；而注凝成型的体积密度较低，抗弯强度和热膨胀系数较高。注凝成型工艺制备的MAT复相陶瓷材料的抗弯强度最高达110.05MPa，而干压成型工艺制备的最高为65.45Mpa。干压成型MAT复相陶瓷的致密度较高，内部空隙较少。注凝成型MAT复相陶瓷的致密度稍低，但钛酸铝和莫来石颗粒分布均匀，结合良好。 热震试验结果表明，MAT复相陶瓷材料抗热震性能优异。热震试验后，AT含量较低（≤20％）的MAT复相陶瓷的抗弯强度明显提高，而AT含量较高（30％）的MAT复相陶瓷有所降低。其原因在于，前者在热震过程中钛酸铝内部的微裂纹发生钝化，阻止裂纹的进一步扩展；并且热震后MAT复相陶瓷的气孔收缩，烧结程度提高，有利于抗弯强度的提高。后者由于AT与莫来石界面上出现较大裂纹，钝化作用不明显，因而其抗弯强度降低。 对注凝成型中真空除气工艺改进，使抽气的时间由原来的1h缩短至25min，提高了工作效率和坯件质量。