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本文采用溶胶-凝胶法研究探讨了制备不对称结构的Al2O3-SiO2-ZrO2-TiO2四元复合陶瓷薄膜的工艺技术,采用DTA/TG、XRD、FT-IR、SEM、AFM及EPMA等现代测试方法来测试了薄膜的晶相组成、凝胶膜在热处理过程中内部结构的变化、微观形貌及元素分布,分析了其性能与组成和结构的关系,探讨了溶胶制备机理及成膜机理。 本实验用α-Al2O3、煅烧苏州土和苏州土为原料、添加不同量的成孔剂经1350℃烧成,保温1h得到不同孔隙率的Al2O3陶瓷基体。采用干法和湿法球磨两种方法制备陶瓷基体坯料。实验发现湿法球磨粉料的平均粒径比干法的平均粒径小,且球磨时间越长粉料的粒径分布越窄,最可几粒径越小,在相同的烧成温度下湿法制备的基体的孔隙率比干法的小。 实验以硝酸铝[Al（NO3）39H2O]、正硅酸乙酯[Si（OC2H5）4]、氧氯化锆[ZrOCl2·8H2O]和钛酸四丁酯[Ti（OC4H9）4]为主要原料制备Al2O3-SiO2-ZrO2-TiO2复合溶胶。由于各自的水解速度不同,故采用分步水解法制备复合溶胶。实验中用氨水作沉淀剂通过多次抽滤去除NO3-离子,再用HNO3作为胶溶剂制得透明的勃姆石溶胶。采用柠檬酸法制备TiO2溶胶,通过控制前驱液中螯合剂与金属离子摩尔比、pH值、温度等,形成可溶性螯合物,用这种方法制备的TiO2溶胶pH在5.5～6.0之间,溶胶的稳定性能好。在制备Al2O3-SiO2-ZrO2-TiO2时,由于ZrOCl2水解溶液的pH<1,既可起到胶溶剂的作用,又不引入杂质离子,故实验用ZrOCl2·8H2O的预水解溶液作为催化剂制备了组分比为4:1:1:1和2:1:1:1的四元复合溶胶,其pH=6.0～7.0。 采用浸渍提拉的方法涂膜,通过控制PVA水溶液添加量、复合溶胶的粘度、提拉速度、涂膜次数并选择合适的干燥制度和热处理制度等工艺参数制备了无裂纹的Al2O3-SiO2-ZrO2-TiO2复合薄膜。实验发现用分级干燥法能有效地降低凝胶膜在干燥阶段开裂,采用多次涂膜-干燥,再焙烧的热处理制度能得到多孔无裂纹的薄膜。 通过测试发现,复合陶瓷薄膜的晶相组成随溶胶组分改变而不同,组分比为Al:Si:Zr:Ti=4:1:1:1薄膜的主晶相是ZrTiO4和3Al2O3·2SiO2;组分比为Al:Si:Zr:Ti=2:1:1:1薄膜的主晶相是四方相的ZrO2和3Al2O3·2SiO2。SEM分析发现,在基体表面有一层厚度约为1～2μm的薄膜,从表面看膜较致密且无裂纹,孔径分布窄,从断面可以看到有梯度分布的孔结构。AFM观察薄膜表面不平整,由局部形貌分析知孔表面的直径为1.613μm,孔的垂直深度为1.012μm。EPMA测试发现薄膜表面有Al、Si、Zr,Ti和O的化合物生成,说明在基体的表面有薄膜材料生成,断面测试结果显示,有部分溶胶粒子渗入了基体的内部,线扫描说明基体表面有复合薄膜生成,膜和基体没有明显的界限说明膜与基体之间没有空隙,结合性能好。