多孔氧化鋁陶瓷的放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備

1、 火花等離子燒結(jié)制備多孔氧化鋁陶瓷 摘 要概括使用放電等離子燒結(jié) (SPS) 制造規(guī)則球形顆粒的多孔氧化鋁，然后與通過傳統(tǒng)熱壓 (HP) 獲得的那些進(jìn)行比較。還研究了加熱過程參數(shù)對孔隙率的影響。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，由于緊密的球形封裝，包含規(guī)則孔的多孔錠由規(guī)則球形氧化鋁顆粒制成。對 SPS 和 HP 產(chǎn)生的樣本的相對頸部進(jìn)行的比較研究表明，SPS 可以增強(qiáng)頸部的生長。將理論值與相對頸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比表明，可以通過燒結(jié)模型建立相對頸和孔隙率之間的適當(dāng)關(guān)系。多孔氧化鋁通過放電等離子燒結(jié) (SPS) 制備成規(guī)則的球形顆粒，然后通過常規(guī)熱壓 (HP) 進(jìn)行比較分析。同時，研究了加熱工藝參數(shù)對孔隙率的影響

2、。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，多孔硅錠由規(guī)則的孔隙組成，這些孔隙是由規(guī)則的球形氧化鋁顆粒制成的，因?yàn)榭拷蛐伟Ｔ?SPS 和 HP 生產(chǎn)的標(biāo)本中，相對頸部比較研究顯示 SPS 的頸部生長增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值對比表明，燒結(jié)模型可以建立相對頸對頸與孔隙率的關(guān)系。關(guān)鍵詞：放電等離子燒結(jié)（SPS）；多孔氧化鋁陶瓷；燒結(jié)頸關(guān)鍵詞：放電等離子燒結(jié)（SPS）；多孔氧化鋁瓷；燒結(jié)頸1 簡介多孔氧化鋁陶瓷兼具功能性和結(jié)構(gòu)性，已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、醫(yī)療等諸多工程領(lǐng)域1 。多孔氧化鋁陶瓷的各種設(shè)計和性能特點(diǎn)主要集中在可控的孔隙率和孔徑、高強(qiáng)度、耐熱和耐腐蝕、耐用、抗沖擊和良好的滲透性。制備多孔氧化鋁陶瓷的技術(shù)有很多，但

3、大多數(shù)需要添加有機(jī)聚合物作為成孔材料 2 。然而，放電等離子燒結(jié) (SPS) 被認(rèn)為對多孔氧化鋁陶瓷的制造是有效的，因?yàn)樗ㄟ^用電能對粉末顆粒之間的間隔充電并有效地施加瞬間產(chǎn)生的高溫放電等離子，可以在低溫和短時間內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和粘合。 3-5 。與熱壓（HP）燒結(jié)相比，SPS可以在較低的加熱溫度、較短的保溫時間、無任何添加劑的條件下制備多孔氧化鋁陶瓷。多孔氧化鋁瓷以其功能和結(jié)構(gòu)特性，已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、醫(yī)療等諸多工程領(lǐng)域1 。多孔氧化鋁陶瓷的各種設(shè)計和性能特點(diǎn)都集中在可控的孔隙率和孔徑、高強(qiáng)度、耐熱和耐腐蝕、耐用、抗沖擊和良好的滲透性。制備多孔氧化鋁陶瓷的技術(shù)有很多，但大多數(shù)都需要添加有機(jī)聚合

4、物材料來形成孔2 。然而，放電等離子燒結(jié) (SPS) 被認(rèn)為是制備多孔氧化鋁陶瓷的有效方法，因?yàn)樗ㄟ^充電和有效施加高溫放電等離子粉末顆粒能夠在較低溫度和較短時間間隔下進(jìn)行燒結(jié)和粘合。 3-5之間。與熱壓燒結(jié)（HP）相比，SPS可以在較低的加熱溫度、較短的保溫時間和不添加任何添加劑的條件下生產(chǎn)多孔氧化鋁瓷。本文采用SPS制備多孔氧化鋁陶瓷，并與HP樣品進(jìn)行對比；此外，還討論了SPS工藝中工藝參數(shù)對孔隙率的影響以及燒結(jié)頸的有效性。本文將 SPS 的制備與 HP 的多孔氧化鋁陶瓷樣品進(jìn)行了比較；此外，還討論了SPS燒結(jié)過程中孔隙率和頸部影響的技術(shù)參數(shù)。2 實(shí)驗(yàn)程序Al 2 O 3球形顆粒，其直徑為

5、0.4mm至0.5mm。將4g這些球形顆粒放入石墨模具中并使用放電等離子燒結(jié)設(shè)備(modelSPS-1050，Sumi - tomo Co. Ltd. Japan)燒結(jié)。原料是添加了ZrO的Al2O3球形顆粒，粒徑為0.4mm0.5mm。將 4 g 這些球形顆粒放入石墨模具中并使用放電等離子燒結(jié)呼吸器（SPS 1050 型號，Ohsumi I Mine Industry Japan）進(jìn)行燒結(jié)圖l顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的SPS器件的示意圖圖 1 顯示了用于 SPS 設(shè)置的實(shí)驗(yàn)示意圖。SPS 處理是在真空 ( 1= 6 Pa) 中以 50 K / min - 400 K/min的加熱速率加熱到所需溫度

6、(1 1 73 K - 1 1 253 K) 進(jìn)行的，時間為 1 min- 30 分鐘的保持時間和 0 kPa - 80 kPa 的施加壓力。溫度由熱電偶測量。為了比較，相同的顆粒使用熱壓 (HP) 程序在相同溫度下以 60 分鐘和 481 k Pa 壓實(shí)。SPS 處理在真空 (1 = 6 Pa) 中通過以 50 K/min-400 K/min 的加熱速率加熱至所需溫度 (1173 k-11253 K) 進(jìn)行，保持時間為 1 min-30 min 和 0 kpa-80 kPa 施加壓力。使用熱電偶測量溫度。相比之下，使用熱壓 (HP) 程序在相同溫度下將相同顆粒壓實(shí) 60 分鐘，481 kPa

7、。3。結(jié)果與討論結(jié)果與討論3.1 孔隙率測量孔隙率測量表觀孔隙度測量基于阿基米德原理。圖2-5顯示了燒結(jié)過程中不同工藝參數(shù)對孔隙率的影響。從圖 2-4 可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高和保溫時間的增加，表觀孔隙率略有下降，而由于原料顆粒的硬度高、尺寸大，施加的壓力對孔隙率的影響很小。在圖。如圖5所示，當(dāng)升溫速率從 50 K / min 上升到 100 K / min 時，孔隙率略有下降，隨后升溫速率達(dá)到 400 K/min 時孔隙率大致趨于平穩(wěn)。因此，適當(dāng)提高升溫速率對樣品孔隙率有積極影響，不同體系存在不同的最佳升溫速率。表觀孔隙度的測量基于阿基米德初級方法。圖 2-5 顯示了燒結(jié)過程中不同工藝參

8、數(shù)對孔隙率的影響。從圖 2-4 可以看出，隨著燒結(jié)溫度和保溫時間的增加，表觀孔隙率略有下降，而施加的壓力對孔隙率的影響較小，因?yàn)樵项w粒的硬度高且尺寸大。在圖 5 中，當(dāng)加熱速率從 50 K/min 增加到 100 K/min 時，孔隙率略有下降，隨后當(dāng)孔大致平坦時加熱速率達(dá)到 400 K/min。因此，適當(dāng)增加加熱速率對樣品的孔隙率有積極影響，不同系統(tǒng)存在不同的最佳加熱速率。圖.2燒結(jié)溫度對多孔Al 2 O 3陶瓷孔隙率的影響（壓力：48 kPa；保持時間：10 min；升溫速率：100 K/min）圖2 燒結(jié)溫度對多孔氧化鋁陶瓷孔隙率的影響（壓力48 kPa；保持時間：10 min；升溫速

9、率：100 K/min）圖3 單軸壓力對多孔體孔隙率的影響A l 2 O 3陶瓷。（SPS溫度：1 223 K；保溫時間：15 min；升溫速率：100 K/min）圖 3 單軸壓力對多孔體孔隙率的影響氧化鋁瓷。（SPS溫度：1K 223度，保溫時間：15分鐘；升溫速率：100K/分鐘）圖4 保溫時間對多孔材料孔隙率的影響一種l2O 3 陶瓷。（SPS溫度：1 223 K；壓力：0 kPa；升溫速率：100 K/min ）圖，保溫時間對多孔 4 孔隙率的影響氧化鋁瓷。（SPS溫度：1K 223度，壓力：0kPa；升溫速率：100K/min）圖5升溫速率對多孔材料孔隙率的影響A l 2 O 3陶

10、瓷。（壓力：0 kPa；保持時間：1 min；SPS 溫度：1 223 K）圖 5 升溫速率對孔隙率的影響氧化鋁瓷。（壓力：0 kPa；保持時間：1 分鐘；SPS 溫度：1223 K）3.2 顯微鏡觀察3.2 顯微鏡觀察圖 6 為 SPS 試樣在燒結(jié)溫度 1 173 K、施加壓力 80 kPa 和保溫時間 5 min 下的 SEM 顯微照片?？梢钥闯?，在顆粒之間的接觸處形成了頸紋。毛孔形態(tài)規(guī)則。圖 6 顯示了 SPS 試樣在 1173 K、80 kPa 的施加壓力和 5 分鐘的保持時間、燒結(jié)溫度下的燒結(jié)頸部的 SEM 顯微照片。可以看出，也有在顆粒之間形成接觸的頸部?？椎男螤钍且?guī)則的。（壓力：

11、80 kPa；保持時間：5 min；SPS溫度：1 173K；升溫速率：100 K/min）3.3 相對頸部的計算相對頸部計算假設(shè)所有放入石墨模具的試樣都呈現(xiàn)出相似的填充結(jié)構(gòu)，則圓柱試樣的體積與孔隙率之間的關(guān)系可以用這些公式來描述。.式中： b為燒結(jié)前試樣的孔隙率， a為燒結(jié)后試樣的孔隙率，V b為燒結(jié)前試樣的體積， V a為燒結(jié)后試樣的體積， V s為所有固體顆粒的總體積，一個不變的常數(shù)。假設(shè)所有放入石墨模具的試樣都呈現(xiàn)出相似的填充結(jié)構(gòu)，圓柱試樣的體積與孔隙之間的關(guān)系可以用下式來描述。式中 b為燒結(jié)前試樣的孔隙率，a為燒結(jié)后試樣的孔隙率， Vb 為燒結(jié)前試樣的體積，Va為燒結(jié)后試樣的體積，

12、Vs為所有固體的總體積粒子，一個常數(shù)。從雙球模型中可以看出（如圖 7 所示），在早期的燒結(jié)過程中，燒結(jié)頸的生長得到了加強(qiáng) 6 。兩個球體顆粒中心的距離隨著燒結(jié)頸的增大而減小。如用于雙球模型（如圖 7 所示），可以看出，在燒結(jié)過程中，燒結(jié)頸的生長較早6 。兩個球形顆粒的中心之間的距離隨著燒結(jié)頸的生長而減小。假設(shè)在早期燒結(jié)過程中形成的燒結(jié)頸半徑較小，并且原料顆粒的直徑幾乎沒有變化，兩個球體顆粒中心之間的線性收縮可以是雙球燒結(jié)模型由這些方程描述的圖 7 中的幾何關(guān)系計算得出。從這些方程 7 中所示的幾何關(guān)系計算得出。根據(jù)式(1)-(4)的表達(dá)式模式，可以通過式(5)計算出燒結(jié)頸的比值和顆粒半徑。根據(jù)

13、式(1)-(4)的表達(dá)式模式，可以通過式(5)計算出燒結(jié)頸粒子的值和射電半徑。將燒結(jié)前后試樣的孔隙率代入式(5)，計算出不同燒結(jié)條件下相對頸縮的理論值。同時，通過測量SEM圖中的相對頸來進(jìn)行圖像分析。理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較見表 1。結(jié)果表明，相對頸部與孔隙率之間的關(guān)系如公式 1 所示。 (5) 適當(dāng)。燒結(jié)置換前后。替代樣品 (5) 的孔隙率用于估計不同燒結(jié)條件下相對頸部的理論值。同時，通過測量SEM圖像中的相對頸部來分析圖像。理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比見表1。結(jié)果表明，式（5）中描述的頸縮與孔隙度的關(guān)系是合適的。SPS工藝中頸徑比(x/R)與燒結(jié)溫度的計算與ex周邊數(shù)據(jù)對比表1 SPS過程中頸徑比(X

14、/R)與燒結(jié)溫度的計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比（壓力：48 kPa；保持時間：10 min；升溫速率：100 K/min）（壓力48 kPa；保持時間：10 min；升溫速率：100 K/min）3.4 與惠普比較3.4 與惠普相比在相同的施加壓力和燒結(jié)溫度下，對SPS工藝保溫時間為5 min，HP工藝保溫時間為60 min的樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）檢測。表 2 表明，與 HP 相比，通過 SPS 制造的多孔氧化鋁陶瓷表現(xiàn)出增強(qiáng)的致密性。為了獲得相似的相對頸部值，SPS 溫度低于 HP 溫度，SPS 的保持時間短于 HP。在相同的施加壓力和燒結(jié)溫度下，通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 檢查樣品

15、，SPS 工藝的保持時間為 5 分鐘，HP 工藝的保持時間為 60 分鐘。表 2 顯示，通過 SPS 制備的多孔氧化鋁陶瓷片通過 HP 比較顯示出增強(qiáng)的致密性。為了使相對頸部達(dá)到相似的值，SPS 的溫度比 HP 的溫度短，SPS 的保持時間比 HP 的短。和 HP 樣品的頸徑比( /R) 與燒結(jié)溫度的比較表1 SPS和HP樣品的頸徑比（/R）和燒結(jié)溫度比較4。結(jié)論4。結(jié)論(1) 顯氣孔率隨著燒結(jié)溫度的升高和保溫時間的增加而降低，而由于原料顆粒硬度高、尺寸大，外加壓力對氣孔率的影響很小。并且對于不同的系統(tǒng)存在不同的最佳升溫速率。(1) 顯氣孔率隨著燒結(jié)溫度和保溫時間的增加而降低，而由于原料顆粒硬

16、度高、粒徑大，外加壓力對氣孔率的影響較小。并且對于不同的系統(tǒng)有不同的最佳加熱速率。(2) 理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較表明，相對頸部與孔隙度的關(guān)系是正確的。（2）的理論值和實(shí)驗(yàn)值的比較表明，相對頸部和孔隙率之間的關(guān)系是合適的。(3) 為獲得相似的相對頸部值，SPS 溫度應(yīng)低于 HP 溫度，SPS 的保持時間應(yīng)短于 HP。(3) 為了在頸部獲得相似的值，SPS 的溫度應(yīng)該比 HP 的溫度短，SPS 的保溫時間應(yīng)該比 HP 的短。參考參考1 Eckert KL、Mathey M 、Mayer J 等人。用于細(xì)胞載體應(yīng)用的多孔氧化鋁陶瓷的制備和體內(nèi)測試 Biomaterials 2000； 21（1）：63-69。2 磯部 T、龜島 Y、中島 A 等。尼龍66纖維擠壓法制備具有定向孔的多孔氧化鋁陶瓷。歐洲陶瓷學(xué)會雜志2006； 26（12）：2213-2217。3 Tokita M. 先進(jìn) SPS 放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)和技術(shù)的趨勢。 J Soc Powder Techaol Jpn 1993； 30：790-804 。4張大明，傅志丫郭J K. ZnA1204燒結(jié)體妙脈沖電流的顯微組織和溫度分布。材料科學(xué)與技術(shù)雜志 2003； 19（6）：526-528。5 王凱，譚泰，傅志勇，等。脈沖電流加熱處理原子擴(kuò)散的研究J .材料科