La2O3、Y2O3和CeO2掺杂对氧化铝陶瓷结构与性能的影响

摘要

氧化铝陶瓷具有机械强度高、高硬度、耐磨耐腐蚀、耐高温、重量轻、绝缘性好等特点，广泛应用于纺织、煤炭、石油、化工、电子及建筑等行业，是一种成本低廉用途广泛的陶瓷材料。但因单纯的氧化铝陶瓷韧性差，强度和耐磨性有待提高，限制其应用领域进一步拓宽。利用多元相协同改性成为提高氧化铝陶瓷力学性能和耐磨性能的研究方向。稀土氧化物作为烧结过程中的稳定剂和烧结助剂可以有效提升陶瓷的强度、韧性、致密度和显微结构，从而在极大程度上改善了陶瓷材料的力学性能和电学性能。 考虑到不同的烧结粉料配方下稀土氧化物的改性作用是不同的，本文以平均粒度为0.3um的超细α-Al2O3为主要原料，采用一种工业上制备高硬度氧化铝陶瓷的基础配方配置烧结助剂，分别加入不同量的La2O3、Y2O3和C eO 2，利用模压成型的方法压片，在箱式炉中无特殊气氛常压下1550℃烧结制备氧化铝陶瓷试样。采用S EM、EDS、XR D、相对密度、纳米压痕、摩擦磨损、介电常数与损耗等测试方法，研究了La2O3、Y2O3和CeO2的掺杂对氧化铝陶瓷显微结构，力学性能和电学性能的影响，探究了氧化铝陶瓷的材料性能随稀土氧化物的种类和添加量的变化规律，分析了氧化铝陶瓷的微观结构、物相组成和稀土阳离子在陶瓷烧结过程中的作用机理等。 通过实验研究得出以下结论：氧化铝陶瓷的主晶相为刚玉（α-Al2O3），大小晶粒紧密粘结，富硼玻璃相填充在晶粒间隙处，Y2O3和CeO2掺量的逐渐增加有相应复合氧化物次晶相形成。适量的稀土氧化物能够改善氧化铝陶瓷的显微结构，三种稀土氧化物都在掺量为 0.5%时晶粒最细，Y2O3和CeO2的掺量为0.5%时相对密度达到最大，La2O3的掺量为1.5%时相对密度最大，稀土的作用机理为：稀土阳离子半径较铝离子大很多，离子半径的差距使它们难以固溶，因此稀土元素主要存在Al2O3晶界上，并且具有玻璃网状结构的稀土氧化物体积较大，难以移动，阻碍了其他离子迁移，使晶界迁移速率降低，抑制晶粒畸形长大。在力学性能方面，稀土氧化物掺杂可以提高氧化铝陶瓷的硬度和弹性模量，Y2O3和CeO2掺量为 1.5%时硬度值达到最大，La2O3掺量为 0.5%时硬度最大，弹性模量表现出与硬度相似的变化规律。在耐磨性方面，适量的稀土氧化物掺杂可以提高陶瓷的耐磨性，掺量为0. 5%时三种稀土氧化物掺杂的陶瓷均呈现较好的耐磨性能。在介电性能方面，稀土氧化物的掺杂能够提高氧化铝陶瓷的介电常数，同时也增加了介电损耗，La2O3和Y2O3掺量为2.5%时介电常数和介电损耗达到最大，C eO 2掺量为0. 5%时介电常数和介电损耗最大，在104-10 6Hz频率范围内，稀土氧化物的掺杂可以提高氧化铝陶瓷的介电常数，同时不会增加介电损耗。

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