铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制_陈维平
面 结 合 强 度， 因 此 有 利 于 提 高 复 合 材 料 的 力 学 性 能。 固 －液两相界面主 要 有 两 种 结 合 机 制 ： 物理结合和化学
； 收稿日期 ： 修改稿收到日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ ０ ５ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ ６ － － － － 基金项目 ： 教育部重点实验室培育项目 ， ： 第一作者简介 ： 陈维平 ， 男， 教授 ， 华南理工大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ， 广州（ 电 话： １ ９ ５ ９ 年出生 ， ５ １ ０ ６ ４ ０） ０ ２ ０－８ ７ １ １ ３ ８ ３ ２， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ｅ ｗ ｃ ｈ ｅ ｎ＠ｓ ｃ ｕ ｔ ． ｐ ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
γ γ ｓ ｓ ｌ ｇ－ γ ｌ ｇ
（ ） １
／气界面 能 即 固 相 表 面 能 ； ／液 界 面 式中 ， γ γ ｓ ｓ ｌ为 固 ｇ为固 ／气界面能即铝液的表面张力 。 能； γ ｌ ｇ为液 ） 由式 （ 可以看出 ， 要增加颗粒与铝熔体的润湿性 ， １ 就要 增 大 γ 减 小γ ｓ ｓ ｌ和 γ ｌ ｇ， ｇ。 当 液 滴 与 固 体 表 面 接 触 时， 原来 的 固 －气 界 面 和 液 －气 界 面 部 分 被 固 －液 界 面 代 替 。 而只有当这一过程系统总的自由能降低时 ， 液体才 会在固体表面铺展 。 液 －固两相之间的结合力称为粘附功 ， 用 Ｗａ 表示 ：
认为颗粒氧化对润湿性有反作用 ， 颗粒表面的氧化物在 润湿过程中为铝液的氧化提供了氧源 ， 反应生成致密的
４］ 。研究结论的差异 氧化膜阻碍了铝 液 对 颗 粒 的 润 湿 ［
可能与铝合金基体 中 的 合 金 元 素 和 温 度 有 关 。 刘 俊 友
［］ 可以 提 高 其 润 湿 性 。Ｌ 为了增加润湿 Ｉ Ｄ Ｘ 等 ２ 认 为，
２ 影响 润湿性 的 因素
铝液对增强颗粒的润湿性有 ３ 个方面的影响因素 ， 一是来自铝液的影响 ， 如 合 金 成 分、 铝液表面的氧化膜 等； 二是来自 增 强 颗 粒 的 影 响 ， 如 颗 粒 表 面 的 气 体、 杂 质、 颗粒表面涂层等 ； 三 是 制 备 工 艺 的 影 响， 如 气 氛、 温 机械搅拌和超声波振动等 。 度、 ２． １ 铝合金熔体表面氧化物的影响 铝对氧的吸附性 很 强 ， 当温度为９ 铝液在 ７ ３ Ｋ 时，
Ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ Ａ ｌ ｌ ｏ Ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｙ ｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｍ ｏ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ Ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ
铝液的氧化很难 避 免 。 稳 定 致 密 的 Ａ ｌ ２Ｏ ３ 薄膜包覆在 阻碍铝液与 颗 粒 之 间 的 直 接 接 触 ， 影响铝熔 铝液表层 ， 体与颗粒的润湿 。 在一定的条件下 ， 铝液表面的氧化物 当Ａ 可以与 铝 液 反 应 生 成 气 态 的 Ａ ｌ ｌ ２Ｏ， ２Ｏ 的 输 出 流 ， 大于氧气的输入流 表面氧化物可以被去除 。 因此铝液 表面的氧化膜的厚 度 主 要 受 式 （ 和式（ 的反应速率 ４） ５） 的影响 ：
１ 润湿性
润湿性 ， 即液体在固体表面上铺展的能力 ， 表示固－ 液两相之间紧密接触的程度 。 图 １ 为液 －固接触润湿角 的示意图 。 接触 角θ 小 则 润 湿 性 好 、 大 则 润 湿 性 差， 完 全润湿时θ＝０， 当θ＜９ 时表示润湿 。 ０ °
Ｗａ ＝γ γ γ ｌ ｓ ｓ ｌ ｇ＋ ｇ－
（ ） ＋３ ） →２ ） Ｏ ４ Ａ ｌ Ａ ｌ ｌ ２（ ２Ｏ ３（ ｇ ｇ （ ）＋ Ａ ） →３ （ ） ４ Ａ ｌ Ａ ｌ ｌ ｌ ２Ｏ ３（ ２Ｏ ｇ ｇ ［ １］ 温度低于 ８ Ｎ Ｋ 等 发现 ， ０ ０ ℃时， Ａ ｌ Ｎ 表面 ＨＯ 的氧化物与铝熔滴反 应 生 成 一 层 氧 化 物 使 其 表 面 失 去
（ ） ２
液体 愈 容 易 润 湿 固 体 ， 液、 固界面结合 Ｗａ 值越大 ， ） ） 强度越高 。 将式 （ 和式 （ 联立可以得到 ： １ ２
Ｗａ ＝γ １＋ｃ ｏ ｓ θ） ｌ ｇ（
（ ） ３
） 可以看出 ， 固 －液界面结合强度取决于接触 ３ 由式 （ 角和铝液表面张力 ， 接触角越小 ， 铝液表面张力越大 ， 界 面结合强度越大 。 良好的润湿可以增强固 －液两相的界
Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｗ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｔ ａ ｎ Ｙ ｏ ｕ ｈ ｕ ｉ ｐ ｇ， （ ， ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ ： ， ｏ ｏ ｒ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｉ ｔ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｏ ｆ ｐ ｙ ｙ ｙ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ － ｐ ｇ ｙ ｙ ｐ ， ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｍ ｅ ｌ ｔ ｗ ａ ｓ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｅ ｄ ｅ ｓ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｆ ｏ ｃ ｕ － ｙ ｙ ｐ ｙ ， ， ｓ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｍ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ ａ ｌ ｌ ｏ ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｉ ｌ ｍ ｏ ｆ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ｍ ｅ ｌ ｔ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｇ ｙ ｐ ， ， ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｍ ｅ ｗ ａ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ． ｃ ｅ ｒ ａ ｍ ｉ ｃ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｙ ： ，Ｗ ， ， Ｋ ｅ Ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ Ｍ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ Ｃ ｏ ｍ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｅ ｔ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｙ ｐ ｙ 高弹性模量 、 陶瓷／铝基复合材料具有高的比强度 、 低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能 ， 被广泛应用于 汽车制造 、 电 子 封 装 等 领 域。 复 合 材 料 的 制 航空航天 、 备及其性能在很大程 度 上 取 决 于 基 体 与 增 强 体 之 间 的 铝熔体表面的氧 润湿性和界面结合情况 。 铝合金成分 、 化膜 、 陶瓷表面状态及制备工艺等对润湿性能有重要的 的影响 。 本课题对国 内 外 提 高 铝 合 金 熔 体 与 陶 瓷 增 强 体润湿性能的工艺进行了分析讨论 。 固 －液平衡时 ， 接触角θ 满足杨氏方程 ： ｃ ｏ ｓ θ＝
－４ ４ 氧分压为 １ ０ Ｐ ａ 时就会被氧化 。 如果没有特殊处理 ，
性， 添加的合金元素 Ｍ 必须满足两个条件 ： ① 可以降低 即 γＭ ＜γＡ 铝液的 表 面 张 力 ， ②Ｍ 的氧化物的吉布斯 ｌ； 生成 自 由 能 比 Ａ 即 Δ ｌ Ｇ（ ＭｘＯ Ｇ ＜Δ ２Ｏ ３ 更 负， ｙ） （ 。图３ 给 出 了 不 同 合 金 元 素 对 铝 液 表 面 张 力 Ａ ｌ ２Ｏ ３） 的影响 。 可 以 看 到 ， Ｍ ｇ可以明显降低铝液的表面张 力。
综 述
特种铸造及有色合金 ２ ０ １ ３ 年第 ３ ３ 卷第 ４ 期
铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制
陈维平 谭幽辉 （ 华 南 理 工大学 机械 与 汽车 工程学院 ）
摘 要 铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性通常较差 ， 提高铝合金熔体对陶瓷增强体的 润 湿 性 能 是 制 备 高 性 能 陶 瓷／铝 基 着 重 分 析 讨 论 了 铝 合 金 成 分、 铝熔体表面的氧化 复合材料的关键 。 综述了铝合金熔体对陶 瓷 增 强 体 润 湿 性 的 研 究 现 状 ， 膜、 陶瓷表面状态及制备工艺等对润湿性能的影响 ， 介绍了一些现有提高其润湿性能的工艺方法 。 关键词 铝基复合材料 ； 润湿性 ； 表面张力 ； 界面 （ ） 中图分类号 Ｔ Ｇ １ ４ ６． ２ １； Ｔ Ｂ ３ ３ ３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－２ ２ ４ ９ ２ ０ １ ３ ０ ４－０ ３ １ ６－０ ４
３ １ ６
铝合金熔体与陶瓷增强体的润湿性及其控制 陈维平 等 结合 。 物理结合强度很低 ， 而化学结合的强度较高 。 当 存在界面反应时 ， 化学 结 合 起 主 导 作 用 ， 提供了大部分 的界面结合能 。 因此 ， 为 了 获 得 较 好 的 界 面 结 合 质 量， 通常需要在固 －液界面引入适量的化学反应 。 逐渐生成气态的 Ａ 二者综合作用使铝液表面的氧 ｌ ２Ｏ， 化膜逐渐变薄最终破裂 。 ２． ２ 合金成分的影响 、 、 、 、 添加活性元素如 Ｌ 可以降低铝 ｉ Ｍ Ｃ ａ Ｔ ｉ Ｚ ｒ等 ， ｇ 液的表面张力和固 －液界面能 ， 引起界面化学反应 ， 因此
氧化铝陶瓷基复合材料概述
概述了氧化铝陶瓷基复合材料，并且对其一般的生产工艺金属间、氧化铝陶瓷基复合材料以及其应用领域作了介绍，前言氧化铝(AI2O3)陶瓷材料具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料。
但是与其他陶瓷材料一样，该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点，使得目前AI2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。
近年来,在氧化铝陶瓷中引入金属铝塑性相的AI/AI2O3陶瓷基复合材料是一个非常活跃的研究领域。
概述金属间化合物的结构与组成它的两组元不同，具有序的超点阵结构，各组元原子占据点阵的固定位置，最大程度地形成异类原子之间结合。
由于其原子的长程有序排列以及金属键和共价健的共存性，有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。
在力学性能上，有序金属间化合物填补了陶瓷和金属之间的材料空白区域。
有序金属间化合物中，Ti - Al、Ni - AI、Fe - AI和Nb-AI系等几个系列的多种铝化物更是特别受到重视。
这些铝化物具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀性和较高的高温强度，密度较小，比强度较高。
由于在空气中铝粉极易氧化而在表面形成AI2O3钝化膜，使AI粉和AI2O3颗粒之间表现出很差的润湿性，导致烧结法制备AI/AI2O3陶瓷材料烧结困难，影响复合材料的机械性能［5］。
挤压铸造和气压浸渍工艺浸渍速度快，但是预制体中的细小空隙很难进一步填充［6］，而后发展的无压渗透工艺操作复杂，助渗剂的选择随意，且作用机理复杂，反而增加了工艺控制难度［7］。
20世纪80年代初，美国Lanxide公司提出了一种制备陶瓷基复合材料的新工艺定向金属氧化技术(DirectedMetal Ox-idation,简称DMOX)。
该工艺是在高温下利用一定阻生剂限制金属熔体在其他5个方向的生长，使金属熔体与氧化剂反应并只单向生长即定向氧化。
采用该方法制备的Al/ AI2O3陶瓷材料在显微结构上表现为由立体连通的-AI2O3基体与三维网状连通的残余金属和不连续的金属组成，由于AI2O3晶间纯净，骨架强度高于烧结、浸渍等工艺制得的同类材料的强度［9］同时，三维连通的金属铝具有良好的塑性，从而使该复合材料具有更为良好的综合机械性能。
铝电解预焙阳极防氧化涂层材料的性能检测研究
7冶金冶炼M etallurgical smelting铝电解预焙阳极防氧化涂层材料的性能检测研究王博一湖南博溥立材料科技有限公司，湖南 常德 ４１５９００摘 要：本文针对纳米陶瓷基阳极防氧化涂层材料工业应用的特点，设计了该涂层材料的实验室性能检测流程，并对检测流程的各个步骤进行了详细说明及原因分析，确定了纳米陶瓷基阳极防氧化涂层材料检测的评判标准。
关键词：铝电解；阳极防氧化；纳米陶瓷基；涂层材料；性能检测中图分类号：ＴＦ８２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２４）０２－０００７－３Study on performance testing of anti-oxidation coating materials of pre-baked anode for aluminum electrolysisWANG Bo-yiＨｕｎａｎ Ｂａｂｌｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．，ｃｈａｎｇｄｅ ４１５９００，ＣｈｉｎａAbstract: Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ｃｅｒａｍｉｃ－ｂａｓｅｄ ｏｆ ａｎｏｄｅ ａｎｔｉ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ａｎｄ ｅａｃｈ ｓｔｅｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ｃｅｒａｍｉｃ－ｂａｓｅｄ ｏｆ ａｎｏｄｅ ａｎｔｉ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Keywords: ａｌｕｍｉｎｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ； ａｎｏｄｅ ａｎｔｉ－ｏｘｉｄａｔｉｏｎ； ｎａｎｏ－ｃｅｒａｍｉｃ－ｂａｓｅｄ； ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ； ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ收稿日期：２０２３－１２作者简介：王博一，生于１９８３年，男，高级工程师，研究生，从事铝电解节能及铝用阳极涂层保护技术的研究工作。
金属与陶瓷的润湿性概述
金属与陶瓷的润湿性概述作者：刘娟娟苟小斌来源：《城市建设理论研究》2013年第24期摘要：研究金属对陶瓷的润湿性对开发新型金属—陶瓷体系，探寻和发展材料的制备技术，制备高性能金属—陶瓷复合材料有着重要的现实意义。
本文阐述了润湿性的分类、界面化学反应对金属—陶瓷润湿性和陶瓷材料性能的影响，并介绍了润湿性研究的实验研究方法，探讨改善润湿性的途径。
关键词：金属—陶瓷；接触角；化学反应；润湿性中图分类号：TL25 文献标志码：A 文章编号：1 引言金属—陶瓷复合材料作为一种以一种或多种陶瓷相为基体，以金属或合金为粘结相的复合材料[1]，如何发挥其中陶瓷相基体的优良性能一直是科研人员研究的重点方向。
其中陶瓷与金属润湿性的好坏很大程度上决定了金属—陶瓷复合材料综合性能的发挥，因此金属—陶瓷复合材料研究的热点在于开发新型金属—陶瓷体系、改善金属—陶瓷界面结合状况以提高材料综合性能，这一切都是建立在金属对陶瓷具有良好的润湿性的基础之上。
研究金属对陶瓷的润湿性对制备高性能金属—陶瓷复合材料有着重要的现实意义。
金属陶瓷复合材料的研究还处于初期阶段。
研究较多的有金刚石、石墨、SiC、Al2O3、ZrO2、TiC等陶瓷相和金属合金所组成的体系。
由于陶瓷和金属的晶体类型及物理化学特性的差异，两者的相容性很差，绝大部分液态金属都不能润湿陶瓷，因此如何改善金属与陶瓷的润湿性，从而改善材料的综合性能性能成为当前材料制备中的一个重要问题。
2 润湿性的分类根据陶瓷—金属的界面结合情况，金属对陶瓷的润湿过程可分为非反应性润湿和反应性润湿。
非反应性润湿是指界面润湿过程中不发生化学反应，润湿过程的驱动力仅仅是扩散力及范德华力。
其中液态金属的表面张力是决定液态金属是否能在固相陶瓷表面润湿的主要热力学参数。
一般此类润湿过程进行得很快，在很短的时间内就能达到平衡；且温度和保温时间对润湿性影响不大。
非反应性润湿体现出对体系成分的不敏感性。
添加合金元素对改善金属—陶瓷润湿性有较大的影响，其机制为合金元素在液态金属表面及固—液界面的吸附和富集，降低了液态金属表面张力及固—液界面张力。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其发展和应用
纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其发展和应用摘要：作为结构材料，陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点，缺点是呈现脆性，不能承受剧烈的机械冲击和热冲击，因而严重影响了它的实际应用．为此，人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性，进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。
该种材料采用碳或陶瓷等纤维进行增强，使陶瓷基体在断裂过程中发生裂纹偏转，纤维断裂和纤维拔出等的同时，吸收能量，既增强了强度和韧性，又保持了良好的高温性能。
本文主要是综述了陶瓷基连续纤维增强复合材料的制备方法，并分析了各种工艺的优缺点。
在总结了现阶段连续纤维增强复合材料研究中存在的问题的基础上，提出了今后连续纤维增强复合材料的主要研究方向。
关键字：陶瓷基增强复合材料连续纤维制备方法目录1 引言 (2)1.1 前言 (2)1.2 陶瓷基复合材料的基本介绍和种类及其应用前景 (3)1.2.1陶瓷基复合材料的基本介绍 (3)1.2.2纤维增强陶瓷基复合材料的主要种类 (4)1.2.3 陶瓷基复合材料的应用前景 (5)1.3国内外的研究成果 (5)1.4 实验研究内容 (8)2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法 (8)2.1料浆浸渍和热压烧结法 (8)2.2 直接氧化沉积法 (9)2.3溶胶-凝胶法 (10)2.4化学气相法 (10)2.5 先驱体转化法 (10)3结束语 (11)参考文献 (12)1 引言1.1 前言科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composite，CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强、增韧的多相材料，又称为多相复合陶瓷 (Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。
La2O3掺杂对BaTi O3-Nb2O5-Co3O4系统陶瓷性能的影响
９ ． ） ９ ９／ 为添加剂 ， 照化 学式 （ － ｘ （ ． ９ ａ ｉ 。 ． ０ Ｎｂ Ｏ ＋０ ０ ２ ｏ Ｏ ） Ｉ ： （ ． ０ ≤ ｚ ９ ６ 按 １ ） Ｏ ９ Ｂ Ｔ Ｏ ＋０ ０ ８ ． ０ Ｃ 。 ＋ｘ ０。 Ｏ ０ ０９ ａ
≤ ０ ０ ３７ ， 取 一 定 量 的 Ｂ Ｔ Ｏ。 Ｎｂ Ｏ５Ｃ 。 和 Ｌ ２ ． 用 传 统 的 氧 化 物 混 合 工 艺 ， 料 混 合 后 在 ．０ ）称 ａ ｉ 、 ２ 、 ｏＯ ａｏ。 采 称
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陕 西 科技 大学 学 报
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第 ２ ８卷
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有机行 星磨 中以 １０ ０ｒ ｍｉ ０ ／ ｎ混磨 ４ｈ 研磨 介质为蒸 馏水． ， 在电热恒 温鼓风 干燥 箱 中干燥后 造 粒 ， 压成 干
稀 土 元 素 是 一 系 列 的 特 殊 元 素 ， 其 是 镧 系 元 素 氧 化 物 作 为 添 加 剂 在 功 能 陶 瓷 的 改 性 方 面 发 挥 了 显 著 的 尤
作 用［ ］本 文采 用 固相法 制备 Ｌ 。 掺杂 的 Ｂ ５． ａＯ。 ＮＣ系统 陶瓷 ， 探讨 了 Ｌ ： 。 杂量 和烧 结温度 对 Ｂ ａｏ 掺 ＮＣ陶 瓷 致密度 及介 电性 能 的影 响 ， 制备 高性 能无 铅 Ｙ５ 对 Ｐ介质 陶瓷 具有一 定 的指导 意义．
金属陶瓷润湿性的研究现状
基本内容
基本内容
摘要： 金属陶瓷是一种具有优异性能的材料，其润湿性是影响材料性能和应用的重 要因素。本次演示综述了近年来金属陶瓷润湿性的研究现状，包括润湿性的定义 和物理本质、研究方法和技术、影响因素及其作用机理以及在工程实践中的应用， 并展望了未来的研究方向。
基本内容
2、动态附着系数测量
2、动态附着系数测量
动态附着系数测量是一种直接测量固体表面与液体之间作用力的方法，通过 测量液滴在固体表面上的受力情况来评估润湿性。该方法具有较高精度和灵敏度， 但设备成本较高，操作复杂。
1、液滴平衡理论
1、液滴平衡理论
液滴平衡理论是基于Young-Laplace方程的一种理论模型，通过计算液滴在 固体表面上的平衡态来预测润湿性。该理论模型具有简单、直观等优点，但难以 准确描述液滴在固体表面上的动态行为。
4、金属陶瓷润湿性在工程实践中的应用
结论： 本次演示综述了金属陶瓷润湿性的研究现状。目前，研究者们已经从多个角 度对金属陶瓷的润湿性进行了深入研究，包括定义和物理本质、研究方法和技术、 影响因素及其作用机理以及在工程实践中的应用。然而，现有的研究仍存在一定 的不足之处，例如对润湿过程中微观机制的研究不够深入，
2、分子动力学模拟
2、分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于分子作用力模拟的方法，通过模拟液滴与固体表 面之间的分子相互作用来预测润湿性。该方法具有较高精度和可靠性，但计算成 本较高，需要借助高性能计算机进行运算。
2、分子动力学模拟
结论 本次演示介绍了金属陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展。实验表征 方面，接触角测量和动态附着系数测量是最常用的方法，但各方法均有优缺点。 理论预测方面，液滴平衡理论和分子动力学模拟是两种主要的研究方法，其中分 子动力学模拟具有较高的精度和可靠性，但计算成本较高。
原位合成法在材料制备中的应用及进展
盐类混合后加入高温基体金属熔体中， 所加盐中 34 和 9 被金属还原出来而在金属熔体中反应形成 349: 增 强颗粒， 扒除副产物后即可浇注得到原位 349: 增强 ../0。要完善这种工艺， 关键是开发新的盐类反应。 盐和熔融铝产生如下的热扩散反应： *;: 345O N ’*12 V *3412* N *;125+ N ;* 125O ， :;95+ N *12 V 129: N :;125+ 和 129: N 3412* V 349: N +12。 :D ’D ?E 直接氧化法 （ -4&%#F .%F"2 MY4="F4C<， -Z.M,） -Z.M, 是由美国 S"<Y4=% 公司开发的一种金属液 直接氧化合成氧化物增强颗粒的方法。其工艺是将金 属液 （ 如 12 ） 暴露于空气中， 使其表面生成 12: M* 膜， 里层金属再通过 12: M* 层逐渐向表层扩散继续被氧 化， 如此反复， 最终形成 12: M* 增强的 12 基复合材料。 在该方法的基础上， 结合喷射沉积工艺， 还发展了一种 反应喷射沉积法。它是在氧化气氛中， 将 12 滴分散成 大量细小液滴而使其表面氧化， 这些带氧化膜的液滴 同时 在沉积过程中， 因相互碰撞使 12: M* 膜破裂分散， 内部 12 液迅速冷却凝固， 从而形成具有弥散分布的 12: M* 增强 12 基复合材料。 -Z.M, 的优点是工艺简 单、 成本低、 基体与增强相之间的界面相容性高、 铸造 性能好， 但氧化物的生长量和形态分布不易控制， 分布 均匀性不好。;$"F&4 等人利用 -Z.M, 研制出了 12: M* 增强 的 12W84、 12WK4W.B 和 12WK4WX< 等 ../0， 其中
210875204_金属锌与PTFE_改性建筑陶瓷表面的润湿性能研究
表面技术第52卷第2期金属锌与PTFE改性建筑陶瓷表面的润湿性能研究萧礼标1，姚蔚2，刘一军1，汪庆刚1，李凯凯2，吴洋1，陆龙生2（1.蒙娜丽莎集团股份有限公司，广东 佛山 528211；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）摘要：目的结合金属锌和聚四氟乙烯（PTFE）改性技术，制备具有微纳复合结构表面的超疏水、防污染、自清洁建筑陶瓷。
方法基于现有工业陶瓷生产方法，在陶瓷釉料中掺入质量分数为60%的金属锌粉，通过高温烧结在陶瓷表面构建微纳复合结构，随后在其表面喷涂PTFE涂料进行低表面能处理，从而制得超疏水性建筑陶瓷。
利用扫描电镜和光学轮廓仪，观察陶瓷表面微纳形貌。
通过X射线能谱仪，对陶瓷表面的化学元素组成进行分析。
使用光学测量系统，测量水滴在陶瓷表面的静态接触角和滚动角。
根据测试结果分析5种烧结温度对陶瓷表面微纳结构和润湿性能的影响。
结果随着烧结温度的升高，陶瓷表面的均方根粗糙度（S q）先增大后减小，对应的疏水性能先增强后减弱。
在1 000 ℃（保温10 min）烧结温度下，S q达到最大值，为(17.52±2.54) μm，表现出最优的超疏水性能，其静态接触角和滚动角分别为165.6°和8.2°，并且该表面展示出良好的防污能力和耐磨性。
结论液滴与陶瓷表面接触时，由金属锌粉烧结形成的微纳复合结构和低表面能的PTFE起耦合协同作用，陶瓷表面与液滴形成固-液-气三相复合接触的Cassie-Baxter状态，即阻隔的空气垫阻碍液体浸入微纳复合结构之中。
随着陶瓷表面粗糙度的增加，气-液接触面积增加，从而使得疏水性能得到提升。
关键词：金属锌；PTFE；建筑陶瓷；烧结温度；微纳复合结构；超疏水表面中图分类号：TU523; TB34 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)02-0360-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.02.034Surface Wettability of Building Ceramics Modifiedby Zinc Metal and PTFEXIAO Li-biao1, YAO Wei2, LIU Yi-jun1, WANG Qing-gang1, LI Kai-kai2, WU Yang1, LU Long-sheng2(1. Monalisa Group Co., Ltd., Guangdong Foshan 528211, China; 2. School of Mechanical &Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) ABSTRACT: The pollution of building ceramics has grown to be a significant issue in people’s lives. Interestingly,收稿日期：2021–11–09；修订日期：2022–07–27Received：2021-11-09；Revised：2022-07-27基金项目：广东省自然科学基金面上项目（2019A1515011530）Fund：Natural Science Foundation of Guangdong Province (2019A1515011530)作者简介：萧礼标（1975—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为建筑陶瓷材料。
熔体温度、冷却速率对Al-Fe-V-Si耐热铝合金组织和力学性能的影响
第26卷 第5期2006年10月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o.l 26,N o .5O ctober 2006熔体温度、冷却速率对A-l Fe -V -Si 耐热铝合金组织和力学性能的影响谭敦强1,2,黎文献2,陈 伟3(1南昌大学材料科学与工程学院,南昌330047;2中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;3中国兵器科学院宁波分院,浙江宁波315103)摘要:采用OM,XRD 检测了不同熔体温度和冷却速度条件下A -l 8.5F e -1.3V-1.7Si (w t %)合金的微观组织结构,并检测了不同熔体温度下采用粉末冶金工艺制备的该合金室温力学性能。
结果表明:熔体温度、冷却速率对该合金组织和性能有着明显的影响。
在相同冷却条件下,熔体温度越高所得到合金的组织越细小,获得该合金最高力学性能则存在一个最佳的熔体温度;冷却速度对该合金的主要相组成起决定作用,并结合A -l F e -V-S i 合金的特性提出了该合金的熔炼工艺。
关键词:耐热铝合金;微观组织;熔体温度;冷却速率中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)05-0014-04收稿日期:2005-04-29;修订日期:2006-02-10基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999064900)和中国博士后科学基金资助项目作者简介:谭敦强(1975)),男,副教授,博士,(E -m a il)tdunqiang @sohu .co m 。
金属材料的宏观性能是由其微观组织结构决定的,而微观结构又主要是由凝固前熔体成分、结构和凝固条件决定的。
就熔体结构而言,金属或合金的熔体中包含着不同的原子团簇,其具体特征不仅与金属的种类和合金的成分有关,而且也与熔体的温度有关;就凝固过程而言,冷却速率对所获得的金属材料及其制品的组织、性能具有显著的影响[1,2]。
高铝瓷组成、结构与力学性能随烧成温度的演变
第42卷第9期2023年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.9September,2023高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变袁志勇1,张学日1,李㊀凯2,许承铭1,吴佳莉1,廖仓冬1,郑㊀猛1,吴英豪1,阎法强1(1.芦溪高压电瓷电气研究院有限公司,萍乡㊀337200;2.中国建材检验认证集团淄博有限公司,淄博㊀255086)摘要:在配方和原料一定的情况下,高铝瓷的组成㊁结构与性能在很大程度上取决于烧成制度㊂本文系统研究了高铝瓷物相组成㊁微观结构和力学性能随烧成温度的变化,并分析了原因㊂结果表明,随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,瓷件中发生熔解的刚玉和石英颗粒增加,内部刚玉相含量从37.85%(质量分数,下同)下降到35.02%,石英相含量从7.60%下降到1.94%,熔解的刚玉和部分石英以莫来石形式析出,瓷件内部莫来石含量从7.49%升高到11.41%㊂随着烧成温度从1160ħ升高到1280ħ,瓷件内部玻璃相含量从47.06%提高到51.63%,瓷件真气孔率从12.50%下降到5.59%,但是当烧成温度达到1310ħ时,瓷件过烧,内部真气孔率增加到6.99%㊂当烧成温度为1160ħ时,瓷件生烧,存在开口气孔,瓷件弯曲强度仅151MPa;当烧成温度增加到1190ħ,弯曲强度达最大值181MPa;随着烧成温度继续升高到1310ħ,瓷件内部总晶相含量从52.94%下降到48.37%,瓷件内部起弥散增强作用的晶相颗粒减少,瓷件强度从181MPa 逐渐降至158MPa㊂这些研究结果对优化高铝瓷的配方㊁烧成制度及材料性能都有重要的参考意义㊂关键词:高铝瓷;烧成温度;物相组成;微观结构;力学性能;弥散增强中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)09-3315-09Evolution of Composition ,Structure and Mechanical Properties of High Alumina Porcelain with Sintering TemperatureYUAN Zhiyong 1,ZHANG Xueri 1,LI Kai 2,XU Chengming 1,WU Jiali 1,LIAO Cangdong 1,ZHENG Meng 1,WU Yinghao 1,YAN Faqiang 1(1.Luxi High Voltage Insulator and Electricity Research Institute Co.,Ltd.,Pingxiang 337200,China;2.China Building Material Test &Certification Group Zibo Co.,Ltd.,Zibo 255086,China)收稿日期:2023-04-27;修订日期:2023-06-28作者简介:袁志勇(1986 ),男,博士,高级工程师㊂主要从事电力装备用陶瓷绝缘材料的研究㊂E-mail:yuanzy_1986@ Abstract :When the formula and raw materials are fixed,the composition,structure and properties of high alumina porcelain largely depend on the firing system.Changes of phase composition,microstructure and mechanical properties of high alumina porcelain with sintering temperature were systematically studied,and the reasons were analyzed.The results show that with the increase of sintering temperature from 1160ħto 1310ħ,the amount of fused corundum and quartz particles in porcelain increases,the content of corundum phase decreases from 37.85%(mass fraction,the same below)to 35.02%,and the content of quartz phase decreases from 7.60%to 1.94%.The fused corundum and some quartz precipitate in the form of mullite,and the content of mullite phase in porcelain increases from 7.49%to 11.41%.As sintering temperature increases from 1160ħto 1280ħ,the content of glass phase in porcelain increases from 47.06%to 51.63%,while the true porosity of porcelain decreases from 12.50%to 5.59%.However,when sintering temperature reaches 1310ħ,the porcelain are overburning,therefore the true porosity increases to 6.99%.When sintering temperature is 1160ħ,the porcelain is undersintering with open pores,and the bending strength is only 151MPa.When sintering temperature increases to 1190ħ,the bending strength reaches a maximum value of 181MPa.As sintering temperature continues to rise to 1310ħ,the total content of crystalline phases in pocelain decreases from 52.94%to48.37%,indicating that the crystalline particles which play a dispersion enhancing role in porcelain decrease,thus the strength of porcelain gradually decreases from 181MPa to 158MPa.These research results have important reference3316㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷significance for optimizing the formulation,firing system and material properties of high alumina porcelain.Key words:high alumina porcelain;sintering temperature;phase composition;microstructure;mechanical property;dispersion strengthening0㊀引㊀言瓷绝缘子自1850年被Werner Von Siemens首次应用于输电线路的建设上,至今已经有170余年历史[1]㊂由于具有机械强度高㊁化学性能稳定㊁绝缘性能好㊁耐腐蚀性能好等众多优点,瓷绝缘子已成为电力输配送系统和铁路电网系统中使用最广泛的绝缘材料之一[2-3]㊂随着电力输配送系统从普通的35kV及以下电压等级发展到1100kV特高压电压等级,电力工程对瓷绝缘子的强度提出了越来越高的要求,瓷绝缘子材料经历了从低强度的长石瓷到中强度的石英瓷,最后到高强度㊁超高强度的铝质瓷的发展过程[4]㊂铝质瓷属于黏土-长石-高铝原料三元系统,通过在坯料配方中直接加入含刚玉晶体的高铝原料,使结构中出现尽可能多的刚玉晶相,最终形成以刚玉为主晶相的瓷件㊂与石英(方石英)㊁莫来石相比,刚玉具有更高的弹性模量和强度,而刚玉晶体的含量是决定铝质瓷强度的主要因素,因此提高铝质瓷中的刚玉相含量也就提高了瓷件的强度[5-6]㊂近年来,国内外有关高强度电瓷材料的研究集中在以铝质瓷为基础来提高瓷件性能上[6-9]㊂Montoya等[8]研究了TiO2含量对高铝质瓷(即铝含量较高的铝质瓷)显微结构和强度的影响,指出TiO2会降低熔体的黏度,从而促进二次莫来石的形核和长大,同时提高烧结体的致密度,最终提高瓷件的弯曲强度㊂通过研究不同氧化铝含量瓷件[9]的性能可知,致密颗粒和细长针状莫来石的均匀分布是瓷件具有最好电气强度的特征显微结构㊂烧成是高铝瓷制备过程中极其重要的一个工艺环节,在配方和原料一定的情况下,高铝瓷的组成㊁结构与性能在很大程度上取决于烧成制度㊂通过研究烧成温度对高强度煅烧铝矾土瓷微观结构的影响[10]可知,当烧成温度为1370ħ时,瓷件内部莫来石相含量达最大值,瓷件达最佳烧成状态,机械强度达最大值㊂但是目前有关高铝瓷物相组成㊁微观结构㊁力学性能随烧成温度演变的研究较少㊂本文将同一配方样品在不同温度下烧成,系统研究高铝瓷的物相组成㊁微观结构和力学性能随烧成温度的变化趋势,分析相关机理,从而为高铝瓷的配方确定㊁烧成制度及材料性能优化提供理论支撑㊂1㊀实㊀验1.1㊀试剂与材料试验用高铝瓷的配方如表1所示㊂氧化铝为山东盛日奥鹏环保科技有限公司生产的高温煅烧氧化铝粉,长石为湖南岳阳洞庭非金属矿有限公司生产的钾长石,黏土A㊁B㊁C和D分别由江门市友顺陶瓷原料有限公司㊁吉林市乾丰陶瓷材料有限公司㊁河北沙河市禄峰矿产有限公司和辽宁省法库县非金属综合矿提供㊂原料的主要化学组成如表2所示,高铝瓷配方的主要化学组成如表3所示㊂表1㊀高铝瓷的配方Table1㊀Formulation of high alumina porcelainRaw material Aluminum Feldspar Clay A Clay B Clay C Clay D Mass fraction/%2717630614表2㊀原料的主要化学组成Table2㊀Main chemical composition of raw materialsRaw material Mass fraction/%SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaO MgO K2O Na2O LOI Aluminum 99.270.020.010.030.080.060.240.18 Feldspar69.3716.610.150.060.330.0510.41 2.610.32Clay A51.7630.67 1.370.450.090.26 1.390.1113.83 Clay B55.9328.07 1.74 1.110.170.440.740.1511.13 Clay C51.5445.030.74 1.010.430.150.230.090.10Clay D64.0422.49 1.320.220.590.25 4.310.43 6.16第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3317㊀表3㊀高铝瓷配方的主要化学组成Table 3㊀Main chemical composition formulation of high alumina porcelain Composition SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3TiO 2CaO MgO K 2O Na 2O LOIMass fraction /%43.1446.380.860.480.230.28 2.920.55 4.831.2㊀制备工艺按表1的配方称取原料,经球磨㊁过筛㊁除铁㊁榨泥㊁陈腐㊁真空练泥后,挤制成ϕ24mm ˑ150mm 的试条㊂干燥后的试条在电炉中烧成,先以3ħ/min 从室温升到300ħ,保温0.5h,接着以3ħ/min 升到960ħ后保温1h,再以4ħ/min 升到最终温度(1160㊁1190㊁1220㊁1250㊁1280㊁1310ħ)后保温1h,最后随炉冷却至室温,完成整个烧成过程㊂1.3㊀分析和测试通过测定烧成前后的长度来计算试条的烧成收缩率;烧成后试条的染料渗透性试验(液体吸收)按照‘陶瓷和玻璃绝缘材料第2部分:试验方法“(GB /T 8411.2 2008)进行;不同烧成温度下试条体积密度利用阿基米德排水法测试,每个烧成温度下试条体积密度测试结果取3块小瓷块体积密度的平均值㊂测试完体积密度的小瓷块研磨成细瓷粉,使之能完全通过孔径为63μm 的试验筛㊂细瓷粉的化学成分采用X 射线荧光光谱仪(德国布鲁克,S8TIGER 型)进行测试;细瓷粉的真密度采用全自动真密度分析仪(美国康塔仪器公司,Uatryc 1200e)进行测试;细瓷粉的物相成分采用X 射线衍射仪(德国布鲁克,D8Advance 型)进行测试,试验条件为:Cu K α(λ=0.15406nm),扫描速度2(ʎ)/min,加速电压40kV,电流40mA,扫描范围5ʎ~70ʎ㊂烧成后试条的三点弯曲强度(以下简称弯曲强度)的测试按照‘陶瓷和玻璃绝缘材料第2部分:试验方法“(GB /T 8411.2 2008)进行㊂测试弯曲强度和弹性模量后的试条,利用切片机切割出约5mm 厚的圆片,对圆片的一个面进行研磨㊁抛光处理㊂抛光后的圆片用水洗干净,用质量分数为5%的氢氟酸腐蚀5min,然后用流动的清水冲洗干净,接着放入超声波清洗机中超声清洗不少于10min,以去除圆片表面残留的氢氟酸,最后将圆片放入(100ʃ5)ħ的恒温干燥箱中烘干㊂抛光样和腐蚀样品的微观形貌利用扫描电子显微镜(荷兰飞纳,Phenom Prox 型)观察㊂2㊀结果与讨论2.1㊀物相组成分析图1㊀不同烧成温度下高铝瓷的XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of high alumina porcelain sintered at different temperatures 不同烧成温度下高铝瓷的XRD 谱如图1所示(c 为刚玉,m 为莫来石,q 为石英)㊂假设瓷件内部的晶相只有刚玉㊁石英和莫来石,其他可能存在的物相均为玻璃相,按照优化后的方法对瓷件内部物相组成进行定量分析[11],得到瓷件内部物相含量随烧成温度的变化,瓷件中刚玉㊁石英和莫来石相含量随烧成温度变化如图2所示,瓷件中总晶相和玻璃相含量随烧成温度变化如图3所示㊂从结果可以看出,随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,瓷件内部总晶相含量(刚玉相㊁莫来石相和石英相含量总和,文中均为质量分数)从52.94%逐渐下降到48.37%,与此同时玻璃相含量从47.06%升高到51.63%㊂同时还可以发现,晶相中的刚玉相㊁莫来石相和石英相随着烧成温度的升高呈现出完全不同的变化趋势㊂刚玉相含量随着烧成温度的升高逐渐下降,刚玉相含量下降幅度很小,仅从1160ħ的37.85%下降到1310ħ的35.02%㊂石英相含量随烧成温度的升高持续下降,并且下降幅度较大,从1160ħ的7.60%下降到1310ħ的1.94%㊂随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,莫来石相含量从7.49%逐渐升高到11.41%㊂3318㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图2㊀瓷件中刚玉㊁石英和莫来石相含量随烧成温度变化Fig.2㊀Changes of corundum,quartz and mullite phase content in porcelain with sinteringtemperature 图3㊀瓷件中总晶相和玻璃相含量随烧成温度变化Fig.3㊀Changes of total crystalline phases and glass phase in porcelain with sintering temperature 随着烧成温度升高,高温状态下瓷件内部的部分刚玉会熔于高温熔体中,导致熔体中的Al 2O 3含量增加,熔体中增加的Al 2O 3最终以莫来石相的形式析出[6],从而引起瓷件内部莫来石相含量增加㊂与此同时,瓷件中熔于高温熔体中的石英相含量逐渐增加,熔体中新增加的SiO 2一部分以莫来石相的形式析出,另一部分最终会以玻璃相的形式存在于瓷件中,从而引起瓷件内部玻璃相含量增加㊂2.2㊀微观结构分析2.2.1㊀瓷件气孔的变化瓷件气孔随烧成温度的变化如图4所示㊂从图4中可以看出,不同烧成温度下瓷件中的气孔均呈均匀分布状态,但随着烧成温度的升高,瓷件内部的气孔在数量㊁形状和尺寸方面存在较大差异㊂当烧成温度仅为1160ħ时,瓷件内部气孔数量较多,且存在较多的絮状㊁蠕虫状等不规则气孔[12],气孔尺寸大部分在5μm 以下,偶见有10μm 及以上的气孔(见图4(a))㊂随着烧成温度的升高,瓷件内部气孔数量逐渐变少,气孔形状逐渐向团状㊁球状发展,气孔尺寸逐渐变大㊂当烧成温度提高到1310ħ时,瓷件内部气孔数量明显变少,大部分气孔都呈较规则的球形,尺寸大部分在10μm 左右(见图4(f))㊂图4㊀瓷件气孔随烧成温度的变化Fig.4㊀Variation of porosity of porcelain with sintering temperature第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3319㊀为进一步研究烧成温度对瓷件内部气孔的影响,对不同烧成温度下瓷件的真气孔率P t 进行分析对比,瓷件的真气孔率计算式如式(1)[13]所示㊂P t =1-ρb ρt ()ˑ100%(1)式中:P t 为真气孔率,%;ρb 为体积密度,g /cm 3;ρt 为真密度,g /cm 3㊂瓷件的体积密度㊁真密度㊁真气孔率测试结果见表4㊂瓷件的烧成收缩率㊁体积密度和真气孔率随烧成温度的变化如图5所示㊂从表4和图5中可以看出,随着烧成温度的升高,瓷件的烧成收缩率和体积密度与真气孔率呈相反的变化趋势㊂当烧成温度从1160ħ升高到1220ħ时,瓷件的烧成收缩率从8.00%升高到9.55%,体积密度从2.52g /cm 3增加到最大值2.70g /cm 3,真气孔率从12.5%下降到最低值5.59%;随着烧成温度继续从1220ħ升高到1280ħ,瓷件的烧成收缩率基本不变(在9.60%左右),体积密度保持在最大值(2.70g /cm 3),真气孔率维持在最低值5.59%;但是随着烧成温度进一步升高到1310ħ,瓷件的烧成收缩率下降至9.16%,体积密度下降至2.66g /cm 3,真气孔率增加至6.99%㊂表4㊀瓷件的体积密度㊁真密度㊁真气孔率测试结果Table 4㊀Test results of bulk density ,true density and true porosity of porcelainTemperature /ħBulk density /(g㊃cm -3)True density /(g㊃cm -3)True porosity /%Dye penetration results Firing shrinkage /%1160 2.52 2.8812.50Penetration 8.001190 2.60 2.879.41Anti penetration 8.931220 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.551250 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.611280 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.641310 2.66 2.86 6.99Anti penetration 9.16图5㊀瓷件的烧成收缩率㊁体积密度和真气孔率随烧成温度的变化Fig.5㊀Variation of firing shrinkage rate,bulk density and true porosity of porcelain with sintering temperature 当烧成温度低于1220ħ时,瓷件处于生烧状态,内部玻璃相偏少,此时瓷件内部的气体可以排出体外㊂因此,当烧成温度从1160ħ升高到1220ħ时,瓷件内部玻璃相含量增加,瓷件致密化程度提升,内部气体总量减少,气孔数量减少,真气孔率下降㊂当温度从1220ħ升高到1280ħ时,瓷件内部玻璃相含量持续增加,瓷件达到最佳的致密化烧结状态,内部的气体被完全封闭在瓷件内,无法向外排出,真气孔率不变,此时瓷件内部只发生气孔之间的合并,使气孔数量减少,气孔尺寸变大㊂进一步将烧成温度提升到1310ħ,瓷件处于过烧状态,内部玻璃相含量多,且内部继续发生气孔之间的合并,使气孔数量减少㊂但是由于烧成温度过高,气孔发生胀大[14],使真气孔率升高㊂2.2.2㊀瓷件晶相形貌的变化用氢氟酸处理过表面的瓷件形貌随烧成温度的变化如图6所示,能谱分析如图7所示㊂结合图6和图7可以看出,刚玉㊁莫来石和石英晶粒均匀地分布在瓷件中㊂随着烧成温度的升高,瓷件内部莫来石含量增加,且相互交织的程度加大㊂瓷件中的莫来石包含一次莫来石和二次莫来石:一次莫来石是由高岭石转变而成[15],呈颗粒㊁鳞片或短柱状,一般比较短小且致密;二次莫来石是从长石熔化黏土分解产物后的熔体中析出,呈三维交织的针状结构㊂2.3㊀力学性能的演变瓷件的弯曲强度随烧成温度的变化如图8所示㊂从图8中可以看出,当烧成温度为1160ħ时,瓷件的弯曲强度仅为151MPa,这是因为此时还未达到瓷件的烧成温度范围,在此温度下瓷件处于生烧状态,由于玻璃相含量低,瓷件内部孔隙率大,并且存在大量的开口气孔(瓷件吸红,见表4)㊂当烧成温度提升到3320㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷1190ħ时,瓷件弯曲强度达到最大值,为181MPa㊂将烧成温度从1190ħ提高到1310ħ,瓷件的弯曲强度从181MPa 逐渐下降至158MPa㊂从图8中还可以看出,当烧成温度介于1190~1280ħ时,瓷件的弯曲强度均大于160MPa㊂图6㊀瓷件被腐蚀表面随烧成温度的变化Fig.6㊀Variation of corroded surface of porcelain with sinteringtemperature 图7㊀瓷件被腐蚀表面的能谱分析结果Fig.7㊀Results of energy spectra analysis of corroded surface of porcelain第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3321㊀图8㊀瓷件的弯曲强度随烧成温度的变化Fig.8㊀Variation of bending strength of porcelain with sintering temperature 瓷件的弯曲强度和总晶相含量随烧成温度的变化如图9所示㊂由图9和图3可知,当烧成温度从1190ħ升高到1310ħ时,瓷件内部晶相总量下降,瓷件的弯曲强度随之下降㊂电瓷的弥散强化理论认为[16-17],瓷件中的晶相(包括刚玉㊁莫来石和石英)弥散分布在连续的玻璃相中,发挥颗粒增强玻璃相的作用㊂因此瓷件中总晶相含量下降,弥散分布在玻璃相中的增强颗粒减少,瓷件弯曲强度下降㊂瓷件的弯曲强度和莫来石相含量随烧成温度的变化如图10所示㊂由图10㊁图2和图6可知,当烧成温度从1190ħ升高到1310ħ时,瓷件内部莫来石相含量增加,针状莫来石的相互交织程度提高,瓷件的弯曲强度下降㊂电瓷的莫来石强化理论[18-19]认为瓷件的弯曲强度完全取决于其内部相互交织的针状二次莫来石,瓷件内莫来石含量越高,针状莫来石相互交织的程度越高,瓷件的弯曲强度越高㊂但显然试验结果与莫来石强化理论相违背,表明莫来石含量及其交互程度对瓷件弯曲强度的影响不显著㊂图9㊀瓷件的弯曲强度和总晶相含量随烧成温度的变化Fig.9㊀Variation of bending strength and total content of crystalline phases of porcelain with sinteringtemperature 图10㊀瓷件的弯曲强度和莫来石相含量随烧成温度的变化Fig.10㊀Variation of bending strength and content of mullite phase of porcelain with sintering temperature瓷件内部裂纹的SEM 照片如图11所示㊂由图11可知,瓷件的玻璃相中存在裂纹,局部短的微裂纹首尾相连,有扩展趋势,并且裂纹更多出现在没有莫来石或者莫来石较少的玻璃相区域㊂这可能是因为玻璃相中含有更多的碱金属和碱土金属元素,而碱金属和碱土金属元素可以降低该区域的烧成温度㊂该区域的固化过程伴随着体积收缩现象的产生,但此时周边没有足够的熔体来填充固化引起的体积收缩,因此在内应力的作用下出现了裂纹㊂瓷件内部玻璃相含量越多,瓷件在烧成的冷却阶段收缩越严重,瓷件内部玻璃相中裂纹越多[20]㊂同时瓷件中残留的石英冷却至573ħ时会发生晶型转变[21],体积突变引起石英颗粒内部产生较大的收缩应力,使石英颗粒内部出现贯穿性裂纹(见图6(b)和6(c)),甚至发生炸裂(见图11)㊂瓷件玻璃相和石英颗粒中存在的裂纹在外力作用下会成为瓷件断裂的根源,对瓷件强度不利㊂3322㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图11㊀瓷件内部的裂纹的SEM照片Fig.11㊀SEM images of cracks in porcelain3㊀结㊀论1)随着烧成温度的升高,瓷件内部总晶相含量逐渐下降,其中刚玉相和石英相含量下降,莫来石相含量升高,升高的原因是熔解的刚玉和部分石英以莫来石形式析出㊂2)随着烧成温度的升高,瓷件内部玻璃相含量增加,瓷件真气孔率先下降,后趋于稳定,最后再升高,生烧和过烧都会使瓷件的真气孔偏高㊂3)随着烧成温度的升高,处于致密烧结状态下的瓷件内部总晶相含量减少,且内部起弥散增强作用的晶相颗粒减少,使得瓷件强度降低㊂4)当烧成温度介于1220~1280ħ时,瓷件体积密度维持最大值2.70g/cm3,真气孔率维持最低值5.59%,瓷件强度均在160MPa以上,该温度范围为高铝质瓷的理想烧成温度区间㊂参考文献[1]㊀LIEVERMANN J,SCHULLET W.Avoiding quartz in alumina porcelain for high-voltage insulators[J].American Ceramic Society Bulletin,2001,80(6):37-42.[2]㊀MENG Y,GONG G H,WU Z P,et al.Fabrication and microstructure investigation of ultra-high-strength 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