可加工玻璃陶瓷液相法制备工艺及其性能研究

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目前陶瓷材料作为一种新型的工程结构材料,在宇航、汽车、冶金、化工、机械等领域得到了越来越广泛的应用。可加工玻璃陶瓷材料以其优异的美观性能、可切削性能和机械力学性能等正日益受到人们的重视。但是目前国内外常用的制备玻璃陶瓷的方法主要有熔融法、烧结法和溶胶-凝胶法,前两种的制备方法复杂,制备出的晶粒尺寸粗大,且消耗电能,而溶胶凝胶法成本偏高,不适合工业生产的要求,因此玻璃陶瓷材料的制备工艺仍然是研究的重点。本文在玻璃陶瓷的制备方法上做了改进,根据低温液相均匀沉淀法的机理,制备了纳米级的钠氟金云母(NaMg3AlSi301oF2)玻璃陶瓷前驱粉体,并对前驱粉体进行晶化热处理,得到主晶相为钠氟金云母的玻璃陶瓷的粉体,经成型和烧结后得到云母基玻璃陶瓷。采用DTA/TGA、TEM、XRD、FT-IR、SEM和ESCA等手段,研究了材料的制备工艺和制备过程中的物相变化,微观形貌和结构的演变,探讨了陶瓷成分和结构对其各项性能的影响,并对钠氟金云母玻璃陶瓷的可加工性能做了检测。实验获得的主要成果如下:选取了几种分别含有Na+、Mg2+、Al3+、Si4+、F-的水溶性化合物作为液相反应的原材料,通过控制工艺参数,制备出了分散性良好、大小均匀的纳米级前驱粉体,一次粉体粒径在10-20nm之间,二次颗粒大小约为100nm,颗粒呈近球状,为典型的非晶态硅酸盐粉体。对前驱粉体晶化热处理发现,钠氟金云母晶核结构主要在600℃左右开始出现,650℃左右形核速率最大,从700℃左右开始形核速率减至最小,晶化温度为950℃时,钠氟金云母晶核生长速度较大,晶化过程中伴随着镁橄榄石(Mg2Si04)和霞石(NaAlSi04)析出。粉体最佳的热处理制度是650℃核化2h,950℃晶化0.5h,热处理后粉体主要呈现层片状钠氟金云母晶相形貌,晶化度达到45%左右。实验发现核化温度对粉体的析晶行为影响最大,然后是晶化温度,最后是保温时间的影响。粉体成型采用阶梯式单向加压方式,先在大约40MPa的压力下保压1min,然后再加压到100MPa,保压2min。烧结工艺为550℃保温2h,升温到1120℃保温2h。研究发现,烧结后玻璃陶瓷内部主晶相为层片状的钠氟金云母晶相,径长约为10μm,晶化程度达到52%,相对密度达到96.8%。钠氟金云母晶体含量在烧结过程中随温度的升高先增大后减少,烧结温度过低或过高,均会出现小颗粒状的镁橄榄石和短柱状的霞石,这两种晶相的变化趋势大致与钠氟金云母晶体的变化相反。综合各项性能发现,显微结构对玻璃陶瓷的性能有很显著的影响,三点弯曲强度值随着烧结温度先升高后降低。钠氟金云母玻璃陶瓷合适的烧结温度为1120℃,此时玻璃陶瓷的晶化程度最高,片层状云母晶体的长厚比大,相互交错的程度高,三点弯曲强度达到了116.76MPa,硬度为3.23GPa,实验证实材料具有较好的可加工性能。
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