学文网摘 要：本文以1μm氧化铝粉为基体材料，分别加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的纳米氧化铝粉；采用常规方法烧结得到一系列的氧化铝陶瓷；然后对氧化铝陶瓷的硬度、抗弯强度和弹性模量等方面的性能进行了测试。结果表明：随着30nm氧化铝的加入，氧化铝陶瓷的硬度、抗弯强度和弹性模量都有不同程度的增加。
关键词：氧化铝陶瓷；硬度；抗弯强度；弹性模量
1 前言
氧化铝陶瓷，又称刚玉瓷，是一种以a-Al2O3为主晶相的结构陶瓷材料，由于其本身具有高熔点、高硬度、耐热、耐腐蚀、电绝缘性好等特性，因此，可以在较苛刻的条件下使用。氧化铝陶瓷的价格低廉，是目前生产量最大，应用面最广的陶瓷材料之一，主要应用于刀具、耐磨部件及生物陶瓷领域。此外，它还广泛应用于宇航、能源、航空航天、化学化工电子等方面[1]。近年来，由于对材料性能的要求高，人们提出各种提高氧化铝陶瓷性能的方法，其中主要有：热压烧结[2-4]、放电等离子烧结[5]、微波烧结[6]和加入添加剂[7]等。结果表明：采取一些新的措施后，使得氧化铝陶瓷在抗弯强度和硬度等方面的性能大大地提高。
本文以1μm 氧化铝粉为基体材料，分别加入0%、0.5%、1%、5%、10%和20%的30nm的纳米氧化铝粉；采用常规方法烧结得到一系列的氧化铝陶瓷；然后对氧化铝陶瓷的硬度、抗弯强度和弹性模量等方面的性能进行了测试。
2 实验内容
2.1 实验原料
本实验用的1μmAl2O3粉是由郑州融华公司生产，产品的基本参数为：外观为白色粉末、晶粒的平均粒径为1～1.5μm、晶体结构为α相，纯度≥99.8%，其他杂质为Na2O、SiO2和Fe2O3。30nm的Al2O3是由杭州万景新材料有限公司生产，产品的基本参数为：外观为白色粉末、晶体结构为α相，纯度≥99.9%、晶粒的平均粒径为30±5nm。
2.2 试验过程
本实验采用常规烧结方法来烧结氧化铝陶瓷。其具体过程如下：首先，30nm的Al2O3粉成形前需用超声波分散；然后，按照配方的要求准确称取所需的量加入到1μm 的Al2O3粉中；其次，再将质量分数为5%的PVA（聚乙烯醇）作为粘结剂加入到Al2O3粉中；最后，研磨均匀，在250 MPa的压力下压成尺寸约为3mm×4mm×36mm的坯体。样品在常规烧结中，其烧成制度为：升温速率为3℃/min，烧结温度为1600℃，保温时间为2h；达到保温时间后随炉冷却，样品经过粗磨、细磨、抛光；然后采用万能材料试验机测试其三点抗弯强度，要求试件跨距为30mm、加载速度为0.5mm/min。试样硬度由洛氏硬度计测得。
3 结果分析与讨论
加入不同含量的30nm Al2O3粉的氧化铝陶瓷的力学性能如***1、2、3所示。
由***1可知，随着纳米氧化铝粉含量的增加，样品的洛氏硬度（HRA）一直增加。当含量从0%增加到1%时，其洛氏硬度从82.2迅速增加到84.6。当添加量在5%～20%之间时，增加速度较慢，其最大值为86.4。由***2可知，断裂强度的变化曲线与硬度变化不同，随着纳米氧化铝粉的加入，断裂强度值的整体变化趋势为先降低，后增加。当添加量为0 %时，其断裂强度值为199.5MPa；随着纳米氧化铝粉的加入量为0.5%时，其断裂强度降低到190.1MPa；当纳米氧化铝粉的加入量为20%时，断裂强度值增加到209.1 MPa。由***3可知，当纳米氧化铝粉的加入量为0%时，其弹性模量为4337.7 MPa；当纳米氧化铝粉的加入量为0.5%时，弹性模量增加到11298.2 MPa；当纳米氧化铝粉的加入量为10%时，弹性模量达到最大，其值为64785.1 MPa。
从上面的分析可知，总体趋势是随着30nm的Al2O3的加入，氧化铝陶瓷的硬度、抗弯强度和弹性模量都增加，但其影响的趋势和程度不同。一般认为，加入纳米材料后样品力学性能的提高，其主要是因为纳米材料占据基体空隙位置和细化晶界所导致的。
4 结论
在1μm 的Al2O3粉中添加不同含量的30nm的氧化铝粉后，其氧化铝陶瓷的性能发生了改变。
（1） 随着纳米氧化铝粉含量的增加，样品的洛氏硬度（HRA）一直增加。当添加含量为20%时，洛氏硬度达到最大，其值为86.4。
（2） 随着纳米氧化铝粉含量的增加，断裂强度值的整体变化趋势为先降低，后增加。
（3） 随着纳米氧化铝粉含量的增加，弹性模量呈增加趋势，当添加量为10%时，其值达到最大，为64785.1 MPa。
（4） 加入纳米材料后样品力学性能在不同程度上得到了提高，其主要是因为纳米材料占据了基体空隙位置和细化晶界所导致的。
参考文献
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[6] 熊礼威，张莹，汪建华等.微波烧结氧化铝陶瓷的纳米增韧研究[J].武汉工程大学学报，2013，35（1）：46.
[7] 胡继林，刘鑫，丁常泽等.添加剂对低温烧结95氧化铝陶瓷性能的影响[J].中国陶瓷，2012，48（2）：11.
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