以高炉渣为助烧剂制备ZTA陶瓷及其性能研究

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ZTA陶瓷由于其高强度、高韧性、耐腐蚀、耐磨损及高性价比等特点,是目前使用广泛的一种工程陶瓷材料,同时,高的烧结温度是影响ZTA陶瓷成本及制约其应用领域的重要因素。常用的助烧剂中,固相添加剂降低烧结温度不明显且仍难有效使ZTA陶瓷低温致密化,液相添加剂导致室温下ZTA陶瓷中存在玻璃相而降低了材料力学性能。本文将使用具有析晶特性的玻璃态工业废弃物高炉渣为烧结助剂,既降低了ZTA陶瓷的烧结温度,又提高了陶瓷的力学性能,具有工艺简单、节能环保、实用性高等优点。为了更加全面地探究添加高炉渣作为助烧剂对ZTA陶瓷的物理性能、力学性能、显微结构的影响,文中首先利用X荧光光谱仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD),差示扫描量热分析(DSC)、激光粒度分析仪和扫描电镜(SEM)等对高炉渣及炉渣微粉的化学组成、物化特性、热学特性及微观结构进行了研究和分析。结果表明,水淬高炉渣主要为玻璃态物质,其化学组成为CaO、SiO2、Al2O3、MgO等,为制备陶瓷及其烧结助剂的主要成分;DSC和XRD分析表明,在不添加晶核剂的情况下,炉渣玻璃体的析晶温度在850950℃左右,晶化后的主晶相为钙黄长石,微晶粒径为1μm左右,表明高炉渣具有较高的析晶活性。其次,依次研究了ZrO2与Al2O3配比、传统固相添加剂TiO2、液相复合添加剂SiO2/CaO,以及高炉渣的添加量在不同温度下对ZTA陶瓷性能的影响。研究表明,含30wt%ZrO2,1600℃烧结2小时后,ZTA陶瓷的抗弯强度为225MPa、断裂韧性为2.63MPa·m1/2,但SEM分析表明,无助烧剂时,该烧结温度下材料难以致密;引入2wt%TiO2固相添加剂1600℃烧结2小时,ZTA抗弯强度为330MPa,但是相对密度也仅有90%,表明固相添加剂助烧结作用有限;引入液相复合添加剂SiO2/CaO达5wt%时,经1600℃烧结2小时,ZTA陶瓷相对密度可达94%,但抗弯强度有所下降(300MPa),这是由于液相添加剂的引入在晶界处形成玻璃相,影响了材料的力学性能;添加5wt%高炉渣,1550℃烧结2小时,降温到950℃保温1h热处理,ZTA陶瓷相对密度达到97%,抗弯强度达到375MPa、断裂韧性为3.97MPa·m1/2,通过XRD与SEM分析表明,此时ZTA晶界玻璃相中析出钙黄长石微晶,形成的微晶玻璃能有效的提高陶瓷的力学性能。最后,研究了原料Al2O3粒度和成型压力对ZTA陶瓷性能的影响。研究表明,高能球磨能明显降低Al2O3粉体粒度,高能球磨40min,粉体粒度达0.43μm,时间继续延长,微粉开始团聚;配方固定时,成型压力对ZTA致密度有一定影响,成型压力过大在坯体中应力集中,不利于致密烧结;当Al2O3粒度为0.43μm,成型压力为120MPa,1550℃烧结2小时,ZTA陶瓷的体积密度达4.36g/cm3,抗弯强度为430MPa,断裂韧性为4.81MPa·m1/2,硬度为10.20GPa,采用大比表面积的原料微粉,可提高ZTA陶瓷的烧结活性。
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