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        稀土對氧化鋁陶瓷的性能影響分析

        發布時間:2021-07-07 14:36:05

        中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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        氧化鋁陶瓷具有機械強度高、高硬度、耐磨耐腐蝕、耐高溫、質量輕、絕緣性好等特點,廣泛應用于紡織、煤炭、石油、化工、電子及建筑等行業,是一種成本低廉用途廣泛的陶瓷材料。但因單純的氧化鋁陶瓷韌性差,強度和耐磨性有待提高,限制其應用領域進一步擴寬。利用多元相協同改性成為提高氧化鋁陶瓷力學性能和耐磨性能的研究方向。


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        稀土陽離子半徑較鋁離子大很多,離子半徑的差距使它們難以固溶,因此稀土元素主要存在氧化鋁晶界上,并且具有玻璃網狀結構的稀土氧化物體積較大,難以移動,阻礙了其他離子遷移,使晶界遷移速率降低,抑制晶?;伍L大,使結構致密。摻入晶界玻璃相的稀土氧化物能夠改善玻璃相的強度進而增強陶瓷的力學性能。稀土氧化物添加越多,降低燒結溫度的效果越明顯,但是過量的添加會使陶瓷力學性能變差。


        對氧化鋁陶瓷顯微結構的影響
        將La2O3、Y2O3、CeO2摻雜后,晶粒尺寸會減小,說明稀土氧化物有細化晶粒的作用,但是隨著稀土氧化物摻量的增加,陶瓷晶粒尺寸都逐漸增大,同時,液相量也逐漸增加。這種現象可能的解釋為:稀土離子由于離子半徑較鋁離子大很多,幾乎不在氧化鋁中固溶,主要存在于晶界玻璃相中,同時,具有玻璃網狀結構的稀土氧化物阻礙了離子的遷移,抑制晶粒生長,細化了晶粒,但過量的稀土氧化物添加則會增加液相量降低液相粘度,促進離子遷移,使晶粒過分生長,晶粒尺寸變大。


        對氧化鋁陶瓷硬度的影響
        用La2O3、Y2O3等稀土氧化物摻雜的氧化鋁陶瓷硬度隨著摻量的增加都呈現先增加后降低的趨勢,有峰值存在,這種現象可能的原因是:適量的稀土氧化物添加可以細化晶粒,同時增加液相量,填充晶粒間隙,使致密度上升,硬度增加,但是隨著稀土氧化物的過量添加,晶粒尺寸增大、間隙增多對致密度和硬度的負面作用難以抵消,表現為硬度逐漸降低。


        對氧化鋁陶瓷摩擦磨損性能的影響
        王韜等研究發現,氧化鋁陶瓷磨損表面經歷了4個過程:晶粒的斷裂和拔出、摩擦層形成、摩擦層面積增加和裂紋的增加,氧化鋁陶瓷在磨損中脫落的晶粒會保留在摩擦界面上,在表面應力作用下形成光滑的摩擦層,摩擦層由兩種對磨材料的磨屑組成,可以降低陶瓷的磨損率。氧化鋁陶瓷磨損機制以磨粒磨損為主,適量的稀土氧化物摻雜可以提高陶瓷的耐磨性。


        對氧化鋁陶瓷相對密度的影響
        經研究發現,隨著摻雜量的不同,Y2O3、CeO2摻雜的氧化鋁陶瓷相對密度都呈現先升高后降低的趨勢。同時發現添加Y2O3的氧化鋁陶瓷相對密度比摻雜CeO2和La2O3的氧化鋁低。出現上述現象可以做如下解釋:

        (1)稀土離子的半徑較大,很難與氧化鋁形成固溶,主要存在于液相中,降低了液相粘度,同時,稀土氧化物能夠促進氧化鋁與其它添加劑組分的化學反應,增加液相量,添加少量稀土氧化物有利于液相的生成,加快氣孔排除,提高陶瓷密度。

        (2)高熔點的稀土氧化物添加提高了陶瓷燒結溫度,同時稀土離子具有較大的離子半徑,阻礙了其它離子的遷移,過量的添加稀土氧化物,不利于陶瓷燒結,使致密化程度降低。


        結語

        稀土是寶貴的資源,具有特殊的電子結構,利用其改性的氧化鋁在催化材料,陶瓷材料等行業有重要用途。在稀土改性氧化鋁中,要根據需要選擇合適的稀土元素,同時也要注重不同稀土元素之間的復合,發揮出協調作用。


        參考來源:[1]史建公等.稀土元素對氧化鋁性能影響的研究進展

        [2]楊尚余等.稀土氧化物摻雜對氧化鋁陶瓷力學性能和摩擦磨損性能的影響

        [3]山川.粉體網


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