复合稳定剂对钛酸铝陶瓷性能的影响

桑月侠，刘维良，郑乃章，曾小军

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333001)

复合稳定剂对钛酸铝陶瓷性能的影响

桑月侠，刘维良，郑乃章，曾小军

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西 景德镇 333001)

以氧化铝(α-A12O3)粉和氧化钛(TiO2)粉为主要原料，以ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3为稳定剂，摩尔比为1∶1∶1∶2∶2，采用固相反应法制备出钛酸铝陶瓷。研究了复合稳定剂对钛酸铝陶瓷抗弯强度、热稳定性和显微结构的影响。采用热膨胀系数测定仪、万能试验机、X射线衍射仪、扫描电镜等对样品性能进行了表征。实验结果表明，当复合稳定剂含量为25wt．%，烧成温度为1550℃，保温时间为3h时制备的钛酸铝陶瓷性能最佳。其热膨胀系数为0．86×10-6/℃，比无稳定剂的钛酸铝陶瓷降低了35．8%；抗弯强度为48．3MPa，比无稳定剂的钛酸铝陶瓷提高了36．9%。

钛酸铝；复合稳定剂；低热膨胀

0　引　言

现代工业的快速发展，对优良耐高温和抗热震性的材料迫切需求。钛酸铝(Al2TiO5)陶瓷具有溶点高、热膨胀系数低[1]、抗热冲击性能良好[2]、耐碱、抗渣、对玻璃和多种金属不润湿性[3]等特点，是当前低热膨胀材料中耐高温性能优异的材料之一。钛酸铝广泛应用于陶瓷、玻璃、有色金属、钢铁、汽车、化工及军工业等领域[4]，如内衬、排气管、催化剂载体、隔热材料和冶金用陶瓷等。但是钛酸铝晶体在900-1280 ℃范围内会分解成刚玉和金红石，从而失去其低膨胀特性，这使其应用范围受到极大的限制。文献[5]表明，通过添加一些稳定剂(如MgO、Y2O3、ZrO2)等)可以拟制Al2TiO5的分解，从而起到稳定晶型的作用。因此，本文通过添加复合稳定剂(ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3的摩尔比为1∶1∶1∶2∶2)来拟制Al2TiO5的分解，获得热稳定性良好的低膨胀钛酸铝陶瓷材料。

1　实　验

1.1原料

α-Al2O3粉，工业纯，河南鑫源公司；TiO2粉、ZrO2粉、MgO粉、ZnO粉、Y2O3粉、La2O3粉和聚乙烯醇(PVA)均为化学纯，均购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2样品制备

首先，按α-Al2O3粉和TiO2粉摩尔比1∶1称料后湿法球磨24 h，浆料烘干后研磨过筛，所得粉体在高温烧结炉中于1350 ℃、1400 ℃、1450 ℃下保温3 h，预合成Al2TiO5粉体。然后，以ZrO2、ZnO、MgO、Y2O3、La2O3的摩尔比为1∶1∶1∶2∶2配制复合稳定剂，按复合稳定剂含量0wt．%、15wt．%、20wt．%、25wt．%、30wt．%、35wt．%掺入Al2TiO5粉中进行配料，湿法球磨混合粉体24 h，浆料烘干后研磨过筛，干压成型后在1550 ℃下保温3 h，制得Al2TiO5块体陶瓷样品。

1.3性能测试

采用西安力创仪器有限公司WDW-10型万能试验机测样品抗弯强度，湘潭市市仪器仪表有限公司ZRPY-1000型热膨胀系数测定仪，德国Bruker公司D8-Advance型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析，中国科学院科学仪器厂KYKY-1000B型扫描电镜(SEM)观察样品的显微结构。

2　结果分析与讨论

2.1合成粉的XRD物相分析

图1为不同温度下合成Al2TiO5粉的XRD图谱。从图1可知，1350 ℃下得到的粉体，主要是Al2O3和TiO2的衍射峰，只有少量极微弱的Al2TiO5衍射峰存在。这表明1350℃下几乎无Al2TiO5粉生成。当温度达到1400 ℃时，Al2O3和TiO2的衍射峰减弱，甚至消失，而Al2TiO5的衍射峰增强。这表明在1400 ℃下可形成大量的Al2TiO5晶相。当温度升高至1450 ℃时，基本上全是Al2TiO5的衍射峰，而Al2O3和TiO2的衍射峰消失。这表明在1450 ℃可合成结晶完整，主晶相全部为Al2TiO5粉体。

图1　不同温度下合成Al2TiO5粉的XRD图谱Fig.1　XRD patterns of Al2TiO5powder sintered at different temperatures

2.2复合稳定剂含量对烧结后块体样品热膨胀系数的影响

图2为复合稳定剂含量与烧结后样品热膨胀系数的关系曲线。从图2可知，随着复合稳定剂含量的增加，Al2TiO5陶瓷的热膨胀系数先减小后增大。当复合稳定剂含量为25wt．%时，热膨胀系数最小，为0．86×10-6/℃,比无稳定剂的Al2TiO5陶瓷热膨胀系数降低了35．8%。这是由于复合稳定剂能生成与Al2TiO5晶体结构相同的化合物与之发生类质同象的取代固溶，形成连续固溶体。此外，稀土元素大离子进入Al2TiO5晶格的内部后，Al2TiO5晶格内部受到挤压，使Al3+和Ti4+占据的八面体空隙减小，运动受限制，相应的束缚力增强。这些都能使Al2TiO5陶瓷的热膨胀系数显著降低。但当稳定剂过量时，过量的复合稳定剂烧结后存在Al2TiO5陶瓷中，使材料的热膨胀系数增大。

2.3复合稳定剂含量对样品抗弯强度的影响

图3为复合稳定剂含量与烧结后抗弯强度的关系曲线。从图3可知，随着复合稳定剂含量的增加，Al2TiO5陶瓷的抗弯强度先增大后减小。当复合稳定剂含量为25wt．%时，抗弯强度最大，为48．3 MPa，比无稳定剂的Al2TiO5陶瓷抗弯强度提高了36．9%。这是由于添加稳定剂后，复合稳定剂原子会固溶于Al2TiO5晶格中，产生应力场，阻止晶格变形，提高材料的抗弯强度。此外，复合稳定剂中的MgO与原料中的部分Al2O3反应形成尖晶石，汇集于Al2TiO5晶界上，阻碍Al2TiO5晶粒的长大，弱化晶畴结构，降低晶体开裂，促进陶体的烧结，有利于瓷体强化。但当复合稳定剂含量过多时，会促使Al2TiO5陶瓷烧成温度降低，在1550 ℃下烧成会出现过烧现象，使其气孔增多，从而使其抗弯强度降低。

图2　复合稳定剂含量与烧结后样品热膨胀系数的关系曲线Fig.2　The relationship curve of composite stabilizer content and thermal expansion coefficient of samples

2.4块体陶瓷样品的XRD物相分析

图4为经1550 ℃烧结后块体陶瓷样品的XRD图谱。从图4可知，块体陶瓷样品中的主晶相为Al2TiO5。此外，还存在少量的MgAl2O4晶相。这是由于复合稳定剂中的少量MgO2和原料中的部分A12O3反应生成的镁铝尖晶石。这在一定程度上可以提高Al2TiO5陶瓷的抗弯强度和降低Al2TiO5陶瓷的热膨胀系数。

2.5块体陶瓷样品的显微结构分析

图5为经1550 ℃烧结后块体陶瓷样品的断口SEM照片。从图5可知，块体陶瓷样品的断口处存在晶内气孔。晶内气孔可以钝化主裂纹，缓和主裂纹尖端应力集中或者主裂纹分叉，从而提高材料的热稳定性。从图5还可知，当材料断裂时较突出晶粒旁边的晶粒有一定的拔出，形成韧窝，这可以提高材料的强度和韧性。

图3　复合稳定剂含量与烧结后样品抗弯强度的关系曲线Fig.3　The relationship curve of composite stabilizer content and flexural strength of samples

图4　块体陶瓷样品的XRD图谱Fig.4　XRD pattern of bulk samples

图5　块体陶瓷样品的断口SEM照片Fig.5　SEM image of the fractured surface of bulk samples

3　结　论

(1)采用固相反应法可在1450 ℃可合成结晶完整，主晶相全部为Al2TiO5粉体。

(2)当复合稳定剂含量为25wt．%，烧成温度为1550 ℃，保温时间为3h时制备的钛酸铝陶瓷性能最佳，其热膨胀系数为0．86×10-6/℃，抗弯强度为48．3 MPa。

[1] 李文魁, 胡晓凯, 彭芒, 等． 钛酸铝陶瓷[J]． 电瓷避雷器, 2000, 5: 15-16．

[2] 刘锡俊, 王杰曾, 冷少林, 等． 莫来石-钛酸铝复相材料的研究[J]． 中国建材科技, 1998, 5: 18-22．

[3] 薛明俊, 孙承绪． 钛酸铝陶瓷研究新进展[J]． 硅酸盐通报, 1999, 4: 53-59．

[4]赵浩． 钛酸铝陶瓷及其应用[J]． 山东陶瓷, 2000, 2: 18-21．

[5] KATO E, DAIMON K, TAKAHASHI J． Decomposition temperature of Al2TiO5[J]． Journal of the American Ceramic Society, 1980, 63: 355-356．

The Influences of Composite Stabilizer on the Properties of Aluminum Titanate Ceramics

SANG Yuexia, LIU Weiliang, ZHENG Naizhang, ZENG Xiaojun
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

Low thermal expansion aluminum titanate ceramics were prepared by solid state reaction method. The method employed Al2O3and TiO2powders as raw materials, ZrO2, ZnO, MgO, Y2O3and La2O3as stabilizers. The mol ratio of ZrO2/ZnO/MgO/Y2O3/La2O3was 1:1:1:2:2. The influences of composite stabilizer on flexural strength, thermal stability and microstructure of Al2TiO5ceramic were studied. Samples were characterized by means of thermal expansion coefficient measuring instrument, tensile testing machine, X-ray diffraction and scanning electron microscope. The experimental results indicated that the properties of Al2TiO5ceramic was best when the stabilizer content was 25wt%, the firing temperature was 1450°C and the holding time was 3h. Al2TiO5ceramic was 0.86×10-6/°C in thermal expansion coefficient, and decreased by 35.8%. Al2TiO5ceramic was 48.3MPa in flexural strength, and increased by 36.9%.

Al2TiO5, composite stabilizer, low thermal expansion

date:2014-11-20 .Revised date: 2014-11-25.

TQ174.75

A

1006-2874(2015)02-0014-03

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.02.004

2014-11-20。

2014-11-25。

通信联系人：刘维良，男，博士，教授。

Correspondent author:LIU Weiliang, male, Ph. D., Professor.

E-mail:jdzweiliang@163.com