混合稀土Pr 6O11和Nd2O3对氧化镁陶瓷材料密度及硬度的影响

2021-07-14范潇方狄玉丽

科技视界 2021年18期

赵林范潇方狄玉丽

（西昌学院理学院，四川西昌 615000）

0 引言

氧化镁陶瓷材料因具有高强度、高熔点和耐抗腐蚀性能等优点可作为金属及其合金材料的理想烧结及冶炼容器。但氧化镁陶瓷材料的热膨胀系数较大会导致相对较差的抗热震性，为了提高氧化镁的性能，有研究者通过添加微米Al2O3颗粒[1]、纳米ZrO2颗粒[2]、TiO2包覆[3]、稀土氧化物[4]或复合添加剂[5]来提高氧化镁陶瓷的抗热震性和致密性，且发现稀土氧化物主要集中分布于陶瓷的边界或晶界处，起到阻碍晶粒长大的作用从而细化材料的晶粒和提高致密性。目前较多研究者将La2O3、Y2O3、Sm2O3、CeO2加入陶瓷材料中[6-8]，而对其他稀土研究较少。前期研究发现轻稀土CeO2、Nd2O3、Pr6O11都能提高氧化镁材料的抗热震性[9-10]，且高硬度的氧化镁同时具有高抗热震性。本文在原有研究基础上，添加了少量的助烧剂碳酸钠、滑石粉、二氧化硅以期降低氧化镁的烧结温度，并探究了混合稀土Nd2O3和Pr6O11对氧化镁的密度和硬度影响。

1 实验

1.1 氧化镁陶瓷的制备

实验使用纳米氧化镁（粒径为40～60 nm，纯度≥99.50%）颗粒、稀土Pr6O11（纯度99.99%）稀土氧化钕（纯度99.99%），以碳酸钠、滑石粉、二氧化硅为助烧剂，聚乙烯醇（AR）为黏结合剂。其中单一稀土Pr6O11和Nd2O3的添加量分别为0wt%、0.5wt%、1wt%、3wt%、5wt%、8wt%、10wt%，记为P1～P7及N1～N7共14组。其中助烧剂碳酸钠、滑石粉、二氧化硅都为1wt%的添加量，而黏结剂添加量为3wt%。将称量好的原料放入球磨机中均匀混合，然后采用粉末压片机压制试样，成型压力为484 MPa。在马弗炉中分别采用1450℃、1490℃和1530℃3种烧结温度制得氧化镁陶瓷。

探究得到单一稀土最佳添加量后，在此最佳混合稀土添加量下按照Pr6O11和Nd2O3的重量比例为：7:3；5:5；3:7，分别探究三种不同添加比例下混合稀土对氧化镁的性能影响，得到最佳混合稀土添加量比例。

1.2 性能检测及表征

采用阿基米德排水法检测材料的密度；用游标卡尺测量试样体积，计算试样的体积收缩率的变化；根据国标GB/T230.2测定试样的洛氏硬度。

2 结果与分析

2.1 不同温度对氧化镁的性能影响

根据不同的烧结温度对氧化镁陶瓷的密度和硬度影响结果得知，随着温度的升高，氧化镁的密度及硬度都随之升高，并在1530℃烧结时，氧化镁的性能最好，密度为2.52g/cm3和45 HRA，且此时的样品的体积收缩率为6%。确定后续添加单一稀土及混合稀土氧化镁的烧结温度为1530℃。

2.2 单一稀土对氧化镁的性能影响

根据单一稀土氧化镨、氧化钕对氧化镁的密度及硬度性能数据得知，随着Pr6O11的添加量的增加，密度呈现波浪形变化，且在添加量为1wt%时有最大密度值3.06g/cm3，较空白氧化镁（未添加稀土）增加了0.53g/cm3。而随着Pr6O11添加量的增加，少量添加时氧化镁硬度减小了，而继续添加高于3wt%氧化镁的硬度整体呈现增加的趋势，且在添加量为8wt%时高达77HRA，较空白组增加了32HRA。而随着Nd2O3的添加量的增加，密度呈现先增加后减小的趋势，且加入稀土后密度都较空白试样提高了，且在添加量为3wt%时有最大密度值3.55 g/cm3，较空白氧化镁（未添加稀土）增加了1.03 g/cm3。而随着Nd2O3添加量的增加，氧化镁的硬度呈现先增后减趋势，且在添加量8wt%时达到最高值为85HRA，较空白组增加了40HRA。2种稀土对比而言，氧化钕对氧化镁无论从密度还是硬度上增幅都更大，说明稀土氧化钕对氧化镁的性能影响较大且增强硬度及密度性能最好。

2.3 混合稀土对氧化镁的性能影响

单一稀土对氧化镁的性能影响结果分析得知，当Pr6O11或Nd2O3添加量为8wt%时稀土对氧化镁的性能最好，从而在混合稀土添加总量为8wt%时考虑将两种稀土Pr6O11和Nd2O3混合加入氧化镁中，以探究其不同添加比例对氧化镁的硬度和密度影响。根据混合稀土对氧化镁的密度及硬度影响数据得知当Pr6O11与Nd2O3添加量为3∶7时氧化镁的密度和硬度都最好，分别为3.1 g/cm3和74HRA，对比单一稀土在8wt%添加时的密度和硬度发现混合稀土的硬度都较Pr6O11和Nd2O3单一添加时低，分别差3HRA和8HRA。但对比空白组试样，混合稀土的加入明显提高了氧化镁的密度和硬度，分别增加了0.58g/cm3和19HRA。