硅酸鋯含量對(duì)硅基陶瓷型芯材料性能的影響研究

武振飛 ，喬經(jīng)緯 ，龐佳敏 ，陸麗芳

（1.江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221；2.江蘇久吾高科技有限公司，南京211808）

前言

硅基陶瓷型芯是以非晶態(tài)石英玻璃為基體材料，含有部分方石英相的陶瓷型芯，在成形喂料中通常加入一些礦化劑，以改善陶瓷型芯的工藝性能和控制其材料性能等。最常用的礦化劑有氧化鋁、氧化鎂、稀土氧化物、納米復(fù)合礦化劑和硅酸鋯等等。其中硅酸鋯由于熱膨脹系數(shù)小、耐溫度急變性好且能改善型芯的強(qiáng)度、脫芯性能等，是氧化硅基陶瓷型芯的重要礦化劑。礦化劑的種類(lèi)、含量以及粒度分布等都會(huì)對(duì)陶瓷型芯的性能產(chǎn)生很大影響。本實(shí)驗(yàn)以熔融石英為基體材料，研究硅酸鋯含量的變化對(duì)陶瓷型芯材料性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用D50為15.06μm熔融石英為基體材料，以D50為1.5μm的硅酸鋯為礦化劑，化學(xué)組成如表1所示，以石蠟等為粘結(jié)劑，在體積比一定的情況下分別加入10%、20%、25%、30%的硅酸鋯制備陶瓷型芯，工藝流程如圖1所示。

表1 材料的化學(xué)組成（%）

圖1 硅基陶瓷型芯的生產(chǎn)工藝流程

1.2 性能測(cè)試

陶瓷型芯試樣的物相分析采用X射線粉末衍射儀，以CuKα輻射樣品粉末測(cè)定。其他性能測(cè)試如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硅酸鋯含量對(duì)線收縮率的影響

在相同的燒結(jié)溫度下，隨著硅酸鋯添加量的增多，陶瓷型芯的線收縮率逐漸增大，如圖2所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是硅酸鋯對(duì)于陶瓷型芯的基體材料熔融石英具有燒結(jié)助劑的作用，能夠降低熔融石英的燒結(jié)溫度，并且硅酸鋯粒度較細(xì)，比表面能大，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力也大，促進(jìn)熔融石英燒結(jié)的作用也大。而陶瓷型芯的致密化是通過(guò)石英玻璃的粘性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，石英玻璃發(fā)生粘性流動(dòng)，使得顆粒與顆粒之間相互接觸，產(chǎn)生收縮，所以隨著硅酸鋯含量的增多，陶瓷型芯的線收縮率增大。

圖2 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯線收縮率

圖3 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯孔隙率與體積密度關(guān)系

2.2 硅酸鋯含量對(duì)孔隙率與體積密度的影響

圖3為不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯孔隙率與體積密度關(guān)系圖，隨著硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的孔隙率降低，體積密度增大。在陶瓷型芯材料的顆粒堆積中，以大粒徑的熔融石英顆粒為骨架，小粒徑的硅酸鋯顆粒填充在其形成的空隙中。隨著硅酸鋯含量的增加，細(xì)小顆粒的比例逐漸增多，對(duì)大顆粒的熔融石英形成空隙的填充效果提高，使得材料的孔隙率下降，陶瓷型芯變得更加致密，體積密度逐漸提高。

2.3 硅酸鋯含量對(duì)方石英析出的影響

陶瓷型芯在1200℃燒結(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生反玻璃化［1］，有一些方石英晶體形成。在陶瓷型芯中含有一定數(shù)量的方石英可以使其在高溫下有足夠的強(qiáng)度和抗變形能力［2］，而方石英在冷卻時(shí)會(huì)有2.8%的體積收縮［3］，這就使陶瓷型芯在降溫過(guò)程中由于相變體積效應(yīng)在內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，降低陶瓷型芯的室溫抗彎強(qiáng)度［4］。圖4為不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯樣品在1200℃下的XRD衍射圖，可以看出陶瓷型芯在1200℃時(shí)已經(jīng)有部分方石英相的析出，但含量比較低，且隨著硅酸鋯含量的增多，方石英的衍射峰強(qiáng)度基本相同。故硅酸鋯含量的變化對(duì)方石英的析晶效果影響不明顯。

圖4 不同硅酸鋯含量的型芯樣品XRD

圖5 不同硅酸鋯含量的陶瓷型芯室溫抗彎強(qiáng)度和熱變形量

2.4 硅酸鋯含量對(duì)室溫抗彎強(qiáng)度和熱變形量的影響

硅酸鋯含量對(duì)陶瓷型芯室溫抗彎強(qiáng)度和熱變形量的影響如圖5所示。在燒結(jié)溫度為1200℃時(shí)，隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度逐漸增大。陶瓷型芯的燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)度逐漸建立和方石英析出的雙層過(guò)程，在燒結(jié)過(guò)程中，熔融石英顆粒堆積形成骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒的硅酸鋯填充到其空隙中，顆粒與顆粒的結(jié)合更加致密，使得強(qiáng)度提高，而方石英的析出對(duì)陶瓷型芯的強(qiáng)度起破壞作用，由于方石英含量較低，對(duì)強(qiáng)度的影響還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燒結(jié)溫度對(duì)強(qiáng)度的提高，所以隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度增大。

在1550℃保溫30min，陶瓷型芯的熱變形量隨著硅酸鋯含量的增加而減小。陶瓷型芯的熱變形主要是由于石英玻璃的粘性流動(dòng)引起的，硅酸鋯的承溫能力和高溫穩(wěn)定性較高，作為礦化劑加入到熔融石英中能夠有效地抑制高溫下玻璃相的粘滯流動(dòng)，起到高溫穩(wěn)定相的作用。由于晶體比玻璃體的蠕變小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以方石英的產(chǎn)生也可以減小陶瓷型芯的高溫蠕變，不同含量硅酸鋯的陶瓷型芯方石英的析出量較少且基本相同，所以陶瓷型芯的熱變形量主要由硅酸鋯的含量決定，隨著硅酸鋯含量的增加，阻礙玻璃相粘滯流動(dòng)的效果逐漸增強(qiáng)，使得陶瓷型芯的熱變形量下降。

3 結(jié)論

3.1 燒結(jié)溫度相同時(shí)，陶瓷型芯的線收縮率隨硅酸鋯含量增多而增大。

3.2 隨硅酸鋯含量的增加，陶瓷型芯的孔隙率降低，體積密度提高。

3.3 在1200℃燒結(jié)過(guò)程中有部分方石英相析出，硅酸鋯含量的變化對(duì)方石英的析出影響效果不明顯。

3.4 陶瓷型芯的室溫抗彎強(qiáng)度隨硅酸鋯含量的增加而增大，熱變形量隨硅酸鋯含量的增加而減小。