硅酸锆含量对硅基陶瓷型芯材料性能的影响研究

2019-08-27武振飞乔经纬庞佳敏陆丽芳

山东陶瓷 2019年3期

武振飞，乔经纬，庞佳敏，陆丽芳

（1.江苏省陶瓷研究所有限公司，宜兴214221；2.江苏久吾高科技有限公司，南京211808）

前言

硅基陶瓷型芯是以非晶态石英玻璃为基体材料，含有部分方石英相的陶瓷型芯，在成形喂料中通常加入一些矿化剂，以改善陶瓷型芯的工艺性能和控制其材料性能等。最常用的矿化剂有氧化铝、氧化镁、稀土氧化物、纳米复合矿化剂和硅酸锆等等。其中硅酸锆由于热膨胀系数小、耐温度急变性好且能改善型芯的强度、脱芯性能等，是氧化硅基陶瓷型芯的重要矿化剂。矿化剂的种类、含量以及粒度分布等都会对陶瓷型芯的性能产生很大影响。本实验以熔融石英为基体材料，研究硅酸锆含量的变化对陶瓷型芯材料性能的影响规律。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

本实验采用D50为15.06μm熔融石英为基体材料，以D50为1.5μm的硅酸锆为矿化剂，化学组成如表1所示，以石蜡等为粘结剂，在体积比一定的情况下分别加入10%、20%、25%、30%的硅酸锆制备陶瓷型芯，工艺流程如图1所示。

表1 材料的化学组成（%）

图1 硅基陶瓷型芯的生产工艺流程

1.2 性能测试

陶瓷型芯试样的物相分析采用X射线粉末衍射仪，以CuKα辐射样品粉末测定。其他性能测试如表2所示。

2 实验结果与讨论

2.1 硅酸锆含量对线收缩率的影响

在相同的烧结温度下，随着硅酸锆添加量的增多，陶瓷型芯的线收缩率逐渐增大，如图2所示。产生这种现象的原因是硅酸锆对于陶瓷型芯的基体材料熔融石英具有烧结助剂的作用，能够降低熔融石英的烧结温度，并且硅酸锆粒度较细，比表面能大，烧结驱动力也大，促进熔融石英烧结的作用也大。而陶瓷型芯的致密化是通过石英玻璃的粘性流动实现的，在高温烧结过程中，石英玻璃发生粘性流动，使得颗粒与颗粒之间相互接触，产生收缩，所以随着硅酸锆含量的增多，陶瓷型芯的线收缩率增大。

图2 不同硅酸锆含量的陶瓷型芯线收缩率

图3 不同硅酸锆含量的陶瓷型芯孔隙率与体积密度关系

2.2 硅酸锆含量对孔隙率与体积密度的影响

图3为不同硅酸锆含量的陶瓷型芯孔隙率与体积密度关系图，随着硅酸锆含量的增加，陶瓷型芯的孔隙率降低，体积密度增大。在陶瓷型芯材料的颗粒堆积中，以大粒径的熔融石英颗粒为骨架，小粒径的硅酸锆颗粒填充在其形成的空隙中。随着硅酸锆含量的增加，细小颗粒的比例逐渐增多，对大颗粒的熔融石英形成空隙的填充效果提高，使得材料的孔隙率下降，陶瓷型芯变得更加致密，体积密度逐渐提高。

2.3 硅酸锆含量对方石英析出的影响

陶瓷型芯在1200℃烧结时，会发生反玻璃化［1］，有一些方石英晶体形成。在陶瓷型芯中含有一定数量的方石英可以使其在高温下有足够的强度和抗变形能力［2］，而方石英在冷却时会有2.8%的体积收缩［3］，这就使陶瓷型芯在降温过程中由于相变体积效应在内部产生内应力，降低陶瓷型芯的室温抗弯强度［4］。图4为不同硅酸锆含量的陶瓷型芯样品在1200℃下的XRD衍射图，可以看出陶瓷型芯在1200℃时已经有部分方石英相的析出，但含量比较低，且随着硅酸锆含量的增多，方石英的衍射峰强度基本相同。故硅酸锆含量的变化对方石英的析晶效果影响不明显。

图4 不同硅酸锆含量的型芯样品XRD

图5 不同硅酸锆含量的陶瓷型芯室温抗弯强度和热变形量

2.4 硅酸锆含量对室温抗弯强度和热变形量的影响

硅酸锆含量对陶瓷型芯室温抗弯强度和热变形量的影响如图5所示。在烧结温度为1200℃时，随硅酸锆含量的增加，陶瓷型芯的抗弯强度逐渐增大。陶瓷型芯的烧结过程是一个强度逐渐建立和方石英析出的双层过程，在烧结过程中，熔融石英颗粒堆积形成骨架结构，细颗粒的硅酸锆填充到其空隙中，颗粒与颗粒的结合更加致密，使得强度提高，而方石英的析出对陶瓷型芯的强度起破坏作用，由于方石英含量较低，对强度的影响还远远低于烧结温度对强度的提高，所以随硅酸锆含量的增加，陶瓷型芯的抗弯强度增大。

在1550℃保温30min，陶瓷型芯的热变形量随着硅酸锆含量的增加而减小。陶瓷型芯的热变形主要是由于石英玻璃的粘性流动引起的，硅酸锆的承温能力和高温稳定性较高，作为矿化剂加入到熔融石英中能够有效地抑制高温下玻璃相的粘滞流动，起到高温稳定相的作用。由于晶体比玻璃体的蠕变小几个数量级，所以方石英的产生也可以减小陶瓷型芯的高温蠕变，不同含量硅酸锆的陶瓷型芯方石英的析出量较少且基本相同，所以陶瓷型芯的热变形量主要由硅酸锆的含量决定，随着硅酸锆含量的增加，阻碍玻璃相粘滞流动的效果逐渐增强，使得陶瓷型芯的热变形量下降。