烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响

MgO烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响

孙阳1徐鲲濠1孙加林1黄勇2薛伟江2

(1.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083；2)清华大学材料学院，北京100084)

摘要以叔丁醇为溶剂，采用凝胶注模成型工艺于1500℃保温2h烧结制备出高气孔率、高强度、低热导率氧化铝多孔陶瓷。研究了氧化镁烧结助剂对氧化铝多孔陶瓷气孔率、气孔尺寸及分布、耐压强度和室温热导率的影响。结果表明：当氧化镁添加量从0.5%(质量分数)增加到2.0%时，气孔率的变化范围为64.65%～73.28%；气孔尺寸分布均匀，平均孔径为0.91～1.30μm；加入MgO后，陶瓷具有较高的耐压强度，介于14.1～36.2MPa之间，室温热导率[最低可达0.55W/(m?K)]比相应的致密陶瓷[室温热导率约30W/(m?K)]低2个数量级左右。

关键词：凝胶注模成型；氧化铝多孔陶瓷；MgO烧结助剂；室温热导率

中图分类号：TU528.042.2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2015)09–0000–07

Effect of MgO Sintering Additives on Structure and Performance of Al2O3 Porous Ceramic

SUN Yang1，XU Kunhao1，SUN Jialin1，HUANG Yong2，XUE Weijiang2

(1. University of Science and Technology Beijing, School of Materials Science and Technology, Beijing

100084, China;

2. Tsinghua University, School of Materials Science and Engineering, Skate Key Lab of New Ceramics and Fine

Processing, Beijing 100084, China)

Abstract: Porous alumina ceramics with high porosity，high compressive strength and low thermal conductivity were fabricated by gel-casting with tert-butyl alcohol as a solvent and subsequent pressure-less sintering at 1500℃ for 2h. The effect of sintering additives (i.e., MgO) on the porosity, open porosity, pore size distribution and microstructure of porous alumina ceramics was investigated. The results show that the porosity increases from 64.65% to 73.28% when the MgO fraction increases from 0.5% (in mass fraction) to 2.0%. The uniform pore size distribution with the mean pore size ranging from 0.91–1.30μm is obtained. The compressive strengths of porous alumina ceramics (i.e., 14.1–36.2MPa) can be improved by the addition of MgO. The thermal conductivity of porous alumina ceramics (i.e., 0.55 W/(m?K)) is two order of magnitude lower than that of dense alumina ceramics (i.e., 30W/(m?K)) at room temperature.

Key words: gel-casting;porous alumina ceramics;magnesium oxide sintering additives;thermal conductivity at room temperature

Al2O3多孔陶瓷具有许多优良的综合性能(如高强度、耐高温、耐磨性好等)，是一种重要的先进陶瓷材料，已在许多领域获得广泛应用。Al2O3多孔陶瓷可以作为高温窑炉的保温材料，也可以直接用于高温窑炉的炉体内衬。但由于Al2O3熔点很高(2053℃)、离子键较强，从而导致其质点扩散系数低(Al3+在1700℃时扩散系数仅10–11 cm2/s)、烧结温度较高[1]。高的烧结温度不仅耗能增加制造成本，而且促使晶粒的不规则长大，导致材料力学性能降低。这对于解决Al2O3气孔率与强度之间的矛盾以及制备轻质高强Al2O3多孔陶瓷都十分不利。许多文献通过引入烧结助剂，降低Al2O3陶瓷的烧结温度，并指出添加少量的MgO 能显著促进Al2O3陶瓷烧结并抑制晶粒长大，获得细晶粒结构陶瓷材料[2–9]。因此，引入一定量的MgO烧结助剂，不仅能够降低氧化铝的烧结温度，而且会对Al2O3多孔陶瓷的结构和性能产生一定影响。

研究不同MgO添加量对Al2O3陶瓷材料气孔率、气孔尺寸及分布和显微结构的影响，讨论了加入MgO 后耐压强度、热导率与结构之间的关系。

1实验

1.1 样品制备

Al2O3粉料的d50=0.756μm，比表面积为7.94m2·g–1，MgO粉料的d50=0.894μm，比表面积为6.71m2/g。以分析纯的丙烯酰胺(AM)为单体，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)为交联剂，叔丁醇(TBA)为溶剂，催化剂和引发剂分别为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)和过硫酸铵(APS)。

收稿日期：2014–12–08。修订日期：2015–01–07。

第一作者：孙阳(1956—)，男，博士研究生。