纳米氧化镁对陶瓷的影响


来源:宣城晶瑞新材料有限公司

在一些先进陶瓷的制备生产中,MgO是一种常见的添加剂,它的作用是什么?在烧结过程中,它会带给陶瓷哪些变化?下面我们通过几个案例了解一下。

MgO对氧化铝陶瓷的影响

1、MgO对氧化铝陶瓷烧结温度及致密化的影响

首先氧化镁作为常见的烧结助剂,是能够有效的降低氧化铝陶瓷的烧结温度的。程诚等以高纯a-Al2O3粉体为原料,MgO为烧结助剂,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备氧化铝陶瓷,研究了MgO添加量和烧结温度对氧化铝陶瓷致密化过程及显微结构的影响,并分析了烧结过程中气孔的扩散与演变。结果表明:添加适量MgO可以降低氧化铝陶瓷的烧结温度,抑制晶粒长大,提高致密度,0.25%(质量分数)是MgO的最佳添加量。

2、MgO对氧化铝陶瓷力学性能和晶粒生长方面的影响

王旭东等采用氧化铝粉为原料、MgO为添加剂、两步烧结工艺制备氧化铝陶瓷,并分析添加剂的变化对氧化铝陶瓷致密度、力学性能和微观组织的影响规律。

研究发现随着MgO添加量的提高,氧化铝陶瓷烧结样品的相对密度、抗弯强度与硬度呈先上升后略微下降的趋势。当MgO含量低于固溶极限时,Mg加快了晶界扩散,对晶粒有一定的细化作用,致密度与力学性能较好;当MgO含量超过固溶极限时,虽然对晶粒细化作用增强,但在晶界形成的镁铝尖晶石会使气孔排出受阻。

在晶粒生长方面,随着MgO添加量的提高,样品的晶粒大小和均匀性呈先上升后略微下降的趋势。当MgO含量在0.25%时,平均粒径最小,晶粒分布也较集中,性能最佳;当MgO含量在0.5%时,晶粒更细小,晶粒分布更均匀,最大的晶粒尺寸也只有2.2μm,但是致密度最差。

3、MgO对氧化铝透明陶瓷光学性能的影响

MgO对氧化铝透明陶瓷的力学性能及致密性的影响规律类似于普通氧化铝陶瓷,合适的MgO添加量均对其力学性能、致密性、抑制晶粒生长有着积极作用。

而在透明氧化铝陶瓷的光学性能方面,当MgO的掺杂量较低时,透明陶瓷的光透过率比较高,这是由于适量的MgO可以抑制晶界的快速移动,使得气孔排出比较完全,陶瓷更加致密,透过率较高。

但随着掺杂量的增加,MgO含量超过在Al2O3中的固溶度后,会局部形成第二相,形成光的散射中心,造成透明陶瓷透过率的下降。

MgO掺杂对氧化锌线性陶瓷的影响

工业制造中的ZnO线性陶瓷电阻具有电阻率变化范围大,通流密度大,非线性系数低,电阻温度系数小的优点,广泛应用于电力-电子、交通、通信及家用电器等方面。但传统的ZnO复合陶瓷仍存在许多问题,如结构均匀性差、工业生产重复率低、稳定性差、理论研究不充分等。

2013年,何日清等研究了MgO掺杂对ZnO线性陶瓷电阻非线性系数、电阻率以及阻温系数的影响,结果表明:MgO的添加有助于改善ZnO陶瓷电阻的阻温系数,适量的MgO可促进烧结,提高陶瓷的致密度,但过量添加反而会使陶瓷致密度下降。

刘建科利用固相烧结法制备出基础配方为ZnO?Al2O3?MgO?Fe2O3?TiO2?SiO2的ZnO线性陶瓷电阻。研究了MgO掺杂量对ZnO线性陶瓷电阻微观结构、阻抗、阻温特性和阻频特性的影响。实验也得出了在ZnO线性陶瓷电阻中,适量的掺杂MgO可以有效提高样品的电阻率和阻温系数的结论。

MgO对铁电陶瓷的影响

1、MgO对钛酸锶钡陶瓷的结构和性能的影响

钛酸锶钡(BST)铁电陶瓷材料以它的高可调性和低介电损耗在作为相控阵中的移相器和微波频率下的可调器件有非常好的应用前景。

由于目前的各种铁电材料均存在某些方面的不足,通过各种手段提高其综合性能,成为钛酸锶钡材料实现大规模应用必须解决的关键问题。

除了用稀土元素离子进行A位掺杂取代, MgO、MgTiO3、Mg2SiO4等化合物加入到BST陶瓷和薄膜中也可以降低其介电常数和介电损耗。

2、MgO对BaTiO3基陶瓷性能的影响

涂伟等采用均匀沉淀法将MgO均匀地包覆在BaTiO3基陶瓷粉体表面,制备包覆MgO的BaTiO3基陶瓷复合粒子,研究了不同包覆量对BaTiO3基陶瓷的微观结构、微观形貌、介电性能、绝缘性能和击穿电压的影响。

实验表明:包覆剂MgO能有效抑制晶粒长大,从而获得晶粒均匀的陶瓷,此细晶效应是由于晶界区MgO的抑制作用;MgO有助于形成“壳一芯”结构晶粒,降低并展宽BaTiO3基陶瓷的ε峰,增加电阻率和击穿电压强度。

MgO对YAG透明陶瓷烧结性能的影响

YAG透明陶瓷具有熔点高(1950℃)、强度大、热导率高、物理化学性能稳定等特点,无论作为功能材料,还是作为结构材料都显示出极佳的应用前景,氧化镁(MgO)是其制备过程中常用的一种烧结助剂。

覃显鹏等采用真空固相反应烧结技术制备了YAG透明陶瓷,深入研究了MgO作为烧结助剂,其添加量对YAG透明陶瓷显微结构、光学透过率等性能的影响。结果发现采用微量MgO作为烧结助剂,以及真空固相反应烧结的工艺,可以制备出高质量YAG透明陶瓷。

MgO作为烧结助剂,有利于控制晶界的扩散、晶粒的生长以及气孔的排除。但随着MgO含量的提高,过多量的添加会在陶瓷中形成第二相,或造成陶瓷烧结收缩过快形成气孔而无法排除出晶粒,从而大大降低YAG陶瓷的透过率。

MgO对Sialon陶瓷的力学性能影响

Sialon是以Si3N4为基的固溶体,在合成Sialon时,由于Si3N4的扩散系数很低,一般在到达Sialon陶瓷烧结温度时(大于1800℃)伴有分解反应发生,因此低温烧结是制备Sialon陶瓷的发展方向。

范国峰等通过研究发现MgO提高了β-sialon陶瓷的致密度且降低了烧结温度,随着烧结温度的升高,β-sialon陶瓷抗弯强度、断裂韧性呈先增加后降低的变化规律,当烧结温度为1600℃时制备的β-sialon陶瓷材料结合紧密,抗弯强度以及断裂韧性达到最大。

总结

以上介绍的是MgO对几种陶瓷的力学性能、显微结构等多方面的影响,可以看到,MgO作为一种添加剂在先进陶瓷生产中的确发挥了重要作用。

参考来源:

[1]程诚等. MgO和烧结温度对Al2O3陶瓷致密化过程的影响

[2]王旭东等.MgO添加量和烧结温度对氧化铝陶瓷烧结性能的影响

[3]刘建科等.MgO掺杂对氧化锌线性陶瓷电阻的影响

[4]孙建英等.低掺杂量MgO对钛酸锶钡陶瓷的结构和性能的影响

[5]覃显鹏等.MgO对YAG透明陶瓷烧结性能的影响

[6]范国峰等.烧结助剂MgO和烧结温度对β-Sialon陶瓷的力学性能影响

[7]涂伟等.包覆MgO对BaTiO3基陶瓷性能的影响


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