莫来石—磷酸锆复相陶瓷材料性能的研究
熊里
摘 要：本文研究了在莫来石中添加低膨胀第二相磷酸锆的莫来石-磷酸锆复相陶瓷的性能，找到了在保证强度的同时，获得较低热膨胀系数的莫来石-磷酸锆复相陶瓷的制备方法。实验表明：莫来石-磷酸锆复相陶瓷能通过将莫来石粉料与磷酸锆粉料或莫来石粉料与磷酸锆生料粉按不同质量比混合烧结制备；加入1wt%的MgO作为烧结助剂，在1350 ℃烧成的样品具有最低的热膨胀系数和较小的吸水率。
关键词：莫来石；磷酸锆；复相；低膨胀
1 引言
莫来石是工业陶瓷制品中一种重要的材料，是陶瓷和耐火材料中最常见的氧化物之一，最高使用温度达1600 ℃。通过莫来石和低膨胀相复合，可以进一步降低材料的热膨胀系数，这类材料性能优异、应用广泛。
磷酸锆陶瓷材料是一种新型的低膨胀材料，因其具有优良的热学性能使它成为人们关注的重点材料而加以深入研究[1]。若能制备出热膨胀系数连续可调的莫来石-磷酸锆复相材料，则可以适应多种条件使用。通过本实验的研究，可为进一步研究不同离子掺杂形成的热膨胀系数连续变化的莫来石-磷酸锆复相陶瓷做准备。
2 实验内容
2.1 实验原料
本实验所采用的原料为：化学纯的Al（OH）3、（NH4）2HPO4、无水K2CO3、MgO、煅烧ZnO和工业SiO2、ZrO2等。
2.2 实验制备工艺过程
本实验以Al（OH）3和石英为原料，按照莫来石理论组成混合，加入适量添加剂；然后于1350 ℃下保温3 h锻烧合成莫来石粉体。把ZrO2磨细，按配方称量后，将（NH4）2HPO4、和K2CO3加入水中搅拌溶解倒入ZrO2充分混合均匀，经干燥以后装入A12O3坩埚中，放入电炉中，在250 ℃温度下保温1 h；最后在1350 ℃温度下中烧成（保温1 h），合成磷酸锆粉体[2]。
按照莫来石和磷酸锆不同的比例进行实验，并考虑是否添加MgO作为烧结助剂，在1350 ℃煅烧温度下保温3 h，其具体成份及含量如表1所示。
本文以煅烧温度、烧结助剂的种类及含量为变量，做三因素二水平的正交实验，分别如表2、表3所示。
本文将合成的磷酸锆换成磷酸锆原料，其他实验条件保持不变，研究原位生成磷酸锆对实验结果的影响（实验编号分别为11号～14号）。
2.3 实验测试仪器
（1） X射线衍射分析：德国Bruker公司D8Advance型XRD衍射仪；
（2） 热膨胀系数：湘潭湘仪仪器有限公司PCY型高温卧式膨胀仪；
（3） 抗折强度：西安力创计量仪器有限公司WDW-10型微机控制电子万能实验仪。
3 实验结果与分析
3.1 样品成份分析
图1是以ZrO2、（NH4）2HPO4和K2CO3为原料，按磷酸锆的理论组成，在电炉中250 ℃温度下保温1 h，并煅烧至1350 ℃，保温1 h，，所获得的XRD成份分析图。
由图1可知，按磷酸锆的理论组成，并在1350 ℃煅烧温度下保温1 h获得的样品，通过X衍射分析发现，能够合成出纯度较高的磷酸锆粉体。
图2为第8组实验样品的XRD成份分析图。
由图2可知，其中莫来石为主晶相、少量磷酸锆为次晶相，说明莫来石的合成效果较好。用磷酸锆粉末和莫来石粉末混合煅烧可以生成莫来石-磷酸锆复相陶瓷。
3.2 烧结助剂和原料比例对样品性能的影响
经研究表明，磷酸锆的烧结主要靠液相烧结，添加MgO就是要形成能致密化的液相[3]，本文采用MgO作烧结助剂，加入量为2wt%。其样品的性能如表4所示。
从表4中第1组和第2组样品的性能对比可知，MgO的加入可以促进莫来石-磷酸锆复相陶瓷烧结，使吸水率和显气孔率降低，但同时也会增大材料的热膨胀系数。热膨胀系数为本征性能与空隙基本无关，与派相的多有关。少从烧结程度上看，1、2号两种样品都没有烧结，而不加烧结助剂的1号样品烧结程度更低。热膨胀系数要低于加烧结助剂的2号样品。
一般来说，样品烧结程度高，致密度大，样品的强度更大，但本实验中添加烧结助剂的样品的强度却更低，这可能是与烧结助剂有关。
在2～6号样品中，3号样品具有最低的热膨胀系数和最大的抗折强度，所以本文选择3号样品进行下一步正交优化实验。
3.3 烧成温度和烧结助剂加入量对样品性能的影响
由于1～6号样品均为未完全烧结，所以在优化配方时需要提高烧成温度。另外，由于烧结助剂可能使复相陶瓷的性能变坏，所以应减少其加入量。
本实验通过正交实验所得样品的性能如表5所示。通过对因素指标关系进行分析，得到最优的方案为A2、B2、C1，即：烧成温度为1350℃，添加剂量为1wt%的MgO。
从表5中可以看出，在实验条件不变的条件下，随着烧结温度的提高，热膨胀系数都有所增大。造成这一变化趋势的原因可能是在越高温度下烧结，磷酸锆低膨胀晶体产生的P2O5蒸发越多[4]，导致材料总体热膨胀系数变大。
3.4 原位生成磷酸锆复相陶瓷性能的分析
表6为正交实验中11～14号样品的性能测试结果。 由表6可知，烧成温度对原位生成磷酸锆的样品的烧结性能影响最大。在1450 ℃煅烧温度下的样品可以烧结，烧结助剂的量和烧结助剂的种类都对样品烧结性能影响不大。ZnO的助烧效果稍好，剂量加大可以使烧结程度略微增加。
同时，添加剂的种类对原位生成磷酸锆样品的热膨胀系数的影响最大。加入ZnO的样品具有更低的热膨胀系数，热膨胀系数随温度的升高而加大，剂量的加大可以使热膨胀系数略微减小。可能是因为这些水平组合有助于磷酸锆晶体的长大并形成裂纹。
另外，烧成温度对原位生成磷酸锆的样品的抗折强度的影响最大。在1450 ℃样品的抗折强度较高。烧结助剂的剂量和烧结助剂的种类都对样品抗折强度性能影响不大。加入ZnO的样品的抗折稍高于加入MgO的样品，剂量加大可以使抗折强度略微增加。
4 结论
（1） 以氢氧化铝和石英为原料，按照莫来石理论组成混合，加入适量添加剂，并在1350 ℃温度下烧成，保温3 h，可以获得较好的莫来石粉。
（2） 以（NH4）2HPO4、K2CO3和ZrO2为原料，按磷酸锆的理论组成配料，在250 ℃的电驴中保温1 h，然后再在1350 ℃温度下烧成，保温1 h，可以获得纯度较高的磷酸锆粉体。
（3） 将莫来石粉料和磷酸锆粉料按不同质量比混合烧结，可以获得较好的莫来石-磷酸锆复相陶瓷。
（4） 在1350～1450 ℃范围内，温度对复相材料的性能影响较大。这种复相陶瓷的烧结温度可以低于1450 ℃以下，应该在1400 ℃附近，这个温度远低于纯莫来石陶瓷的烧成温度。当烧成温度为1350 ℃时，并添加1wt%的MgO作为烧结助剂，可以获得性能较好的样品，并且可以在1400 ℃附近找到更优的制备方案。
（5） MgO和ZnO两种添加剂的助烧机理不同，导致在相同烧成温度时形成的微观结构不同，从而使得样品在添加剂不同时，热膨胀系数随烧成温度的变化不同。在1350～1450 ℃范围内烧成，添加MgO的剂量可以提高烧结程度，从而提高强度；而ZnO却有相反的行为。同样，在烧结助剂剂量固定的情况下，烧成温度从1350 ℃变化到1450 ℃，加入MgO样品的热膨胀系数越来越小，而加入ZnO的热膨胀系数越来越大。
参考文献
[1] 片桐成人，服部泰久等.Journal of the Ceramic Society of Jepan
1994；102（1）： 69～72
[2] 顾幸勇，刘阳，李月明.烧制条件对KZr2（PO4）3陶瓷热学性能影
响的研究[J].江苏陶瓷，
[3] 祝桂洪等编译·陶瓷釉配制基础[M].北京：轻工业出版社，1989∶
25～26.
[4] 山井严等.名古屋工业大学窑业技术研究施设年报.1982；9：23～30.
另外，烧成温度对原位生成磷酸锆的样品的抗折强度的影响最大。在1450 ℃样品的抗折强度较高。烧结助剂的剂量和烧结助剂的种类都对样品抗折强度性能影响不大。加入ZnO的样品的抗折稍高于加入MgO的样品，剂量加大可以使抗折强度略微增加。
4 结论
（1） 以氢氧化铝和石英为原料，按照莫来石理论组成混合，加入适量添加剂，并在1350 ℃温度下烧成，保温3 h，可以获得较好的莫来石粉。
（2） 以（NH4）2HPO4、K2CO3和ZrO2为原料，按磷酸锆的理论组成配料，在250 ℃的电驴中保温1 h，然后再在1350 ℃温度下烧成，保温1 h，可以获得纯度较高的磷酸锆粉体。
（3） 将莫来石粉料和磷酸锆粉料按不同质量比混合烧结，可以获得较好的莫来石-磷酸锆复相陶瓷。
（4） 在1350～1450 ℃范围内，温度对复相材料的性能影响较大。这种复相陶瓷的烧结温度可以低于1450 ℃以下，应该在1400 ℃附近，这个温度远低于纯莫来石陶瓷的烧成温度。当烧成温度为1350 ℃时，并添加1wt%的MgO作为烧结助剂，可以获得性能较好的样品，并且可以在1400 ℃附近找到更优的制备方案。
（5） MgO和ZnO两种添加剂的助烧机理不同，导致在相同烧成温度时形成的微观结构不同，从而使得样品在添加剂不同时，热膨胀系数随烧成温度的变化不同。在1350～1450 ℃范围内烧成，添加MgO的剂量可以提高烧结程度，从而提高强度；而ZnO却有相反的行为。同样，在烧结助剂剂量固定的情况下，烧成温度从1350 ℃变化到1450 ℃，加入MgO样品的热膨胀系数越来越小，而加入ZnO的热膨胀系数越来越大。
参考文献
[1] 片桐成人，服部泰久等.Journal of the Ceramic Society of Jepan
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25～26.
[4] 山井严等.名古屋工业大学窑业技术研究施设年报.1982；9：23～30.
另外，烧成温度对原位生成磷酸锆的样品的抗折强度的影响最大。在1450 ℃样品的抗折强度较高。烧结助剂的剂量和烧结助剂的种类都对样品抗折强度性能影响不大。加入ZnO的样品的抗折稍高于加入MgO的样品，剂量加大可以使抗折强度略微增加。
4 结论
（1） 以氢氧化铝和石英为原料，按照莫来石理论组成混合，加入适量添加剂，并在1350 ℃温度下烧成，保温3 h，可以获得较好的莫来石粉。
（2） 以（NH4）2HPO4、K2CO3和ZrO2为原料，按磷酸锆的理论组成配料，在250 ℃的电驴中保温1 h，然后再在1350 ℃温度下烧成，保温1 h，可以获得纯度较高的磷酸锆粉体。
（3） 将莫来石粉料和磷酸锆粉料按不同质量比混合烧结，可以获得较好的莫来石-磷酸锆复相陶瓷。
（4） 在1350～1450 ℃范围内，温度对复相材料的性能影响较大。这种复相陶瓷的烧结温度可以低于1450 ℃以下，应该在1400 ℃附近，这个温度远低于纯莫来石陶瓷的烧成温度。当烧成温度为1350 ℃时，并添加1wt%的MgO作为烧结助剂，可以获得性能较好的样品，并且可以在1400 ℃附近找到更优的制备方案。
（5） MgO和ZnO两种添加剂的助烧机理不同，导致在相同烧成温度时形成的微观结构不同，从而使得样品在添加剂不同时，热膨胀系数随烧成温度的变化不同。在1350～1450 ℃范围内烧成，添加MgO的剂量可以提高烧结程度，从而提高强度；而ZnO却有相反的行为。同样，在烧结助剂剂量固定的情况下，烧成温度从1350 ℃变化到1450 ℃，加入MgO样品的热膨胀系数越来越小，而加入ZnO的热膨胀系数越来越大。
参考文献
[1] 片桐成人，服部泰久等.Journal of the Ceramic Society of Jepan
1994；102（1）： 69～72
[2] 顾幸勇，刘阳，李月明.烧制条件对KZr2（PO4）3陶瓷热学性能影
响的研究[J].江苏陶瓷，
[3] 祝桂洪等编译·陶瓷釉配制基础[M].北京：轻工业出版社，1989∶
25～26.
[4] 山井严等.名古屋工业大学窑业技术研究施设年报.1982；9：23～30.
