有序多孔氧化铝陶瓷微观结构研究.pdf

研究论文 R E S E A R C H 有序多子L 氧化铝陶瓷微观结构研究 陈敬哲，仝建峰，益小苏 ( 中国航发北京航空材料研究院，北京1 0 0 0 9 5 ) 【摘要】 利用扫描电镜( s E M ) 对模板法制备的有序多孔氧化铝陶瓷的微观结构特征、孔隙结构和晶粒生长进行了 研究。结果表明：通过模板法制备的多孔氧化铝陶瓷孔结构均匀、排列有序，孔洞内部相互连通；随着料氧化铝浆固 相体积的增加，多孔陶瓷的孔隙率相应降低；孔洞边缘没有出现晶粒的异常生长，与发泡法制备的多孔陶瓷相比，烧 结致密度更高。 关键词：多孔氧化铝；微观结构；晶粒生长；固相体积分数 R e s e a r c ho nI i c r o s t r u c t u r eo fo r d e r e dP 0 r O u sA l u m i n aC e r a m i c C H E N J i n g z h e ，T O N GJ i a n f e n g ，Y IX i a o s u ( A E C CB e i j i n gI n s t i t u t eo f A e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s ，B e i j i n g1 0 0 0 9 5 ，C h i n a ) 【A B S T R A C T l T h em i c r o s t m c t u r e ，p o r es t m c t u r ea n dg r a i ng r o w t ho fp o r o u sa l u m i n ac e r a m i c sb yt e m p l a t em e t h o da r e s t u d i e db yS E M I ti sf o u n dt h a tt h ep o r es t r u c m r eo fp o r o u sa l u m i n ac e r a m i c sb yt e m p l a t em e t h o di su n i f o 册，i n t e r c o n n e c t e da n dc o n t m l l a b l e W i t ht h ei n c r e a s eo ft h es o l i dV o l u m ef r a c t i o n ，t h ep o r o s i t ) ro fp o r o u sc e r a m i cd e c r e a s e s T h ew a U o fh o l ed o e s n ta p p e a r e da b n o n n a l 黟a i ng m w t h ，a n dt h er e l a t i V ed e n s i t ) ，o fp o r o u sc e r a m i ci sm u c hh i g h e rc o m p a r ew i t h f o a m i n gm e t h o d K e y w o r d s ：P o r o u sa l u m i n a ；M i c r o s t m c t u r e ；G r a i ng r o h ；S o l i dv o l u m e 仃a c t i o n D o I ：1 0 1 6 0 8 0 i s s n l 6 7 1 8 3 3 x 2 0 1 6 2 0 0 8 8 随着现代科学技术的快速发展，微观有序的多孔材 料以其各种特异的性能引起了人们的重视。由于多孔 陶瓷密度小、质量轻、比表面积大、阻尼性能好，具有结 构和功能的双重属性，使其成为一类使用广泛而又具 有巨大应用潜力的功能结构材料【I 。2 l 。目前，广泛应用 的多孔陶瓷大部分是由传统方法制备的，比如挤压成 型、颗粒堆积法、发泡法、有机泡沫浸渍法和添加造孔剂 等【3 。5 l ，普遍存在着孔径尺寸和孔隙分布不可控的状况。 随着航空航天行业的快速发展，对材料提出了更高的可 设计性要求，本文通过模板法制备的有序多孔氧化铝陶 瓷，孔径和孔隙分布可控，在消音降噪、吸能减震、隔热 等领域有着广泛的应用前景。 孔隙形貌表征的是多孔体中孔隙的存在状态，它对 多孑L 材料性能的影响远大于孑L 隙的尺寸。如果多孔体 中的孑L 穴是均匀有序的等轴孔穴，则整个多孑L 体的性能 呈各向同性；而当其中的孔穴为拉长或扁平状时，多孔 体的性能就与取向紧密相关而呈各向异性。多孔体的 这种各向异性状态，可以对多孔材料的各项性能产生不 同程度的影响【6 l 。因此，了解和获悉多孔体的孔隙形貌， 对研究多孑L 材料的物理、力学性能均具重要的现实意 8 8 肮窄制造技术2 0 1 6 年第2 0 期 义。 1 试验材料及方法 1 1 试验材料 1 1 1 聚苯乙烯( P S ) 微球 本次试验用的聚苯乙烯微球为深圳纳微科技有限 公司生产的单分散聚苯乙烯微球，直径为4 4 0 “m ，其扫 描电镜图如图1 所示。 1 1 2陶瓷粉体 本次试验用的陶瓷粉体主要原料为德国马丁公司 图1单分散聚苯乙烯微球的S E M 图 F i g 1 S E Mi m a g eO fu n i t a r yd i s p e r s e dp O l y s t y r e n es p h e r e s 万方数据 R E S E A R C H研究论文 生产的氧化铝粉体( 如为1 9 3 7 p m ) ，烧结助剂为碳酸 钙和苏州土，分散剂为丙烯酸一丙烯酸脂二元共聚物， 调节剂为四甲基氢氧化铵，胶粘剂为1 的聚乙烯醇 ( P V A ) 溶液。 1 2 有序多孔氧化铝陶瓷的制备 本文采用一种新的方法来制备孔径均匀，孔三维贯 通且均匀的多孔氧化铝陶瓷P 1 ，然后将陶瓷坯体放置在 N a b e r t h e r mH T1 6 0 1 7 烧结炉中，以5 c C m i n 的速率升 温至1 4 0 0 1 6 0 0 保温3 5 h 进行烧结瓷化，即获得所 需要的多孔陶瓷。 1 3 测试方法 采用H I T A C H IS 一3 5 0 0 N 型扫描电镜观察试样的微 孔形貌特征。 2 结果与讨论 2 1 多孔氧化铝陶瓷的微观结构 图2 是固相体积分数为3 9 的料浆制备的多孔氧 化率陶瓷的s E M 图。从图2 中可以看出球与球之间属 于堆积紧密，排列比较有序，其孔径可以通过改变初始 微球的尺寸来调整，这种均匀的孔结构不但具有良好的 选择性，而且可以减少使用时的应力集中，有助于提高 烧结体的强度。 图3 为直径为4 4 0 “m 的聚苯乙烯微球与其制备的 多孔体微观结构对比图。从图3 可知，坯体在烧结后， a ) 高倍罔 ( 1 ，) 低俯阁 图2 多孔氧化铝陶瓷的整体显微结构图 F i g 2 M i c r o s t r u c t u r ei m a g eO fp O r O u sa l u m i n ac e 限m i c 【bJ P S 4 4 0 制备的多孔体 图3P S 微球与其制备的多孔体微观对比 F i g 3C 0 m p a n s O nO fS E Mi m a g e sw i t hP Ss p h e r e sa n dp o r o u s c e 限m i c 聚苯乙烯微球在坯体中形成的孔隙由初始的4 4 0 “m 变 化为3 7 5 3 5 “m ，这是由于坯体烧结过程中产生的收缩 所致，收缩率约为1 5 。 2 2 陶瓷料浆固相体积分数对多孔氧化铝显微结构的 影响 图4 为采用不同固相体积分数料浆制备的多孔氧 化铝陶瓷的S E M 图。图4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别代表 ( a ) 3 9 图4 不同固相体积分数多孔氧化铝陶瓷的S E M 图 F i g 4 S E Mi m a g e so fp o r o u sa I u m i n ac e r a m i cw i t hd i 仟e n n ts o I i d I O a d i n g 2 0 1 6 年第2 0 期航空制造技术8 9 万方数据 研究论文 R E S E A R C H 料浆固相体积分数为3 9 、4 2 、4 5 、4 8 。从图中可 以看出不同固相体积分数下孔结构比较均匀有序，通过 对比不难发现：随着料浆固相体积分数的增加，多孔氧 化铝陶瓷的孔壁在逐渐增厚。这是因为随着料浆的固 相体积分数的增加，料浆的粘度在不断增加，微球表面 的涂覆量也在逐渐增大，因此验证了固相体积分数与微 球涂覆量的关系，即随着氧化铝料浆固相体积分数的增 加，微球涂覆量相应的增加，孔与孔之间的壁厚增加，最 终导致多孔陶瓷的孔隙率降低。 2 3 多孔氧化铝陶瓷边缘显微结构图 图5 为多孔氧化铝陶瓷试样边缘显微结构图，从图 5 中可以看出来，无论试样的中间与边缘，孔洞的排布 紧密均匀，直至边缘处排布不下为止，相比于发泡法制 备的泡沫材料容易出现皮芯结构f 8 1 而言，这种孔结构更 均匀，更好地避免了应力集中。这种现象的出现是因为 多孔氧化铝陶瓷孔洞的形成主要是依靠了聚苯乙烯微 球形成的模板，这种模板的生成完全依赖于微球的堆积 形式，因此不会产生发泡过程中由于机械挤压作用出现 的皮芯结构。 图5 多孔氧化铝陶瓷试样边缘S E M 图 F i g 5 S E Mi m a g e sf O rb r i n ko fp o r o u sa I u m i n ac e 限m i c 2 4 多孔氧化铝陶瓷内部连通的孔隙结构 本文采用的是聚苯乙烯微球为模板制备多孔氧化 铝陶瓷材料。在制备过程中，聚苯乙烯微球的表面涂覆 料浆后再进行干压成型，在这个过程中，微球表面裹了 一层陶瓷粉，球与球之间是不相接的。成型后的陶瓷干 坯进行排胶烧结的过程中，聚苯乙烯微球随着温度的升 高开始热分解，分解出来的小分子气体排出时，必然在 9 0 航空制造技术2 0 1 6 年第2 0 期 内部形成大小不一的通道，这时烧结后的聚苯乙烯微球 形成的孔洞基本上是相连的。从图6 ( a ) 中可以看到， 试样表面形成了排布整齐的孔洞，这些孑L 洞是聚苯乙烯 微球热分解生成的气体排出时留下的。图6 ( b ) 、( c ) 、 ( d ) 是试样内部孔洞的显微结构图，从图6 ( b ) 中可以 看出，试样内部的孔洞并不是独立封闭存在的，大部分 的孔洞都与其周围的孔洞相互贯通，形成四通八达的网 络结构。图6 ( c ) 、( d ) 分别是内部孔洞9 0 倍和1 5 0 倍 放大的显微结构图，我们可以更清楚地看出孔洞之间的 相互连通关系。 美怒以岛“_ 簟一 【c ) 9 0 倍【d ) 1 5 0 倍 图6多孔氧化铝陶瓷孔洞的S E M 图 F i g 6S E Mi m a g e sf o ra p e r t u r eO fp O r o u sa l u m i n a c e r a m i c 通过多孔氧化铝陶瓷试样表面及内部孔洞的显微 结构图，我们可以得出，通过本试验方法得到的多孔陶 瓷材料，大部分孔洞是相互联通的，只有一小部分的孔 洞处于封闭状态，这正好验证了通过模板法制备的多孔 氧化铝陶瓷的开孑L 孔率远远大于闭孔孑L 率。 2 5 多孔氧化铝孔隙边缘的晶粒生长 在查阅文献时得知，发泡法制备的氧化铝泡沫陶瓷 存在异常的晶粒生长f 9 】。在陶瓷的烧结后期( 烧结温度 1 4 5 0 和1 5 5 0 ) ，容易出现异常的晶粒生长，陶瓷中 的一部分晶粒的生产速度快，远大于周围晶粒的正常生 长速度，从而造成所谓双重显微结构。在陶瓷成型过程 中应该避免异常晶粒的成长，主要因为一方面缺陷尺寸 与晶粒尺寸相关，大晶粒更容易造成缺陷；另一方面在 完全致密化之前出现晶粒异常增长，影响烧结进程，导 致烧结程度较低。 为了考察本试验方法制