钛酸铝陶瓷及其研究新进展

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1、钛酸铝陶瓷及其研究新进展摘要为了总结近年来国内外对钛酸铝陶瓷的最新研究进展，推动钛酸铝的研究，本文综述了钛酸铝陶瓷的易分解和低强度机理，着重介绍了采用添加剂法、复合相法以及新的合成、成形、烧结等工艺改善钛酸铝陶瓷性能方面的研究进展，并对其最新的应用研究进展作出简单的介绍，更在此基础上提出了钛酸铝陶瓷的发展动向。关键词钛酸铝，添加剂，复合相，工艺，进展1刖S随着现代工业的不断发展，对同时具有优良的耐高温性、抗热震性陶瓷材料的需求越來越迫切。钛酸铝陶瓷是一种集高熔点(1860±10°C)和低热膨胀系数(0〜1.5X10-6/°C,RT~1000°C)于一身的优异材料，因此它具有极其优良的抗热震

2、稳定性，耐火度高、隔热性能好，并且它还耐腐蚀、耐碱、抗渣，广泛应用于钢铁、化工、陶瓷等许多工业领域。但该材料也存在着两大致命弱点：一是在750〜1300°C温度区间易分解成金红石和刚玉相，失去其优良的低膨胀性能，限制了其应用［1］；二是晶体冷却时内部会产生大量微裂纹，造成机械强度低的缺陷［2］。近年里，国内外许多学者为了增强钛酸铝的高温热稳定性和机械强度，分别从不同的角度进行实验研究，取得了许多新的突破性进展，为进一步开拓钛酸铝的实际应用打下了基础。本文系统地总结了国内外对钛酸铝陶瓷的最新研究成果，讨论了添加剂法、复合相法这些新的工艺对改善钛酸铝陶瓷性能的进展，以及钛酸铝在实际应用领域方血

3、的发展。2钛酸铝陶瓷的易分解和低强度机理钛酸铝高温易分解、机械强度低的特性与结构的关系密不可分。A13+、Ti4+与周围的02-构成八團体空隙，而A13+、Ti4+位于氧八面体的中心。由于A13+半径较小(rA13+=0.054nm),受周围离子的束缚较弱。当钛酸铝被加热时，它们获得能量而振动加剧，这样具有较高能量的离子就有可能摆脱其它离了的束缚而离开平衡位置逃逸出来，结果使原来的八面体产生畸变并影响附近的晶格，连续的影响就会使钛酸铝晶格遭到破坏，产生分解。由于钛酸铝严重的热膨胀各向异性致使烧结体在冷却中内部会产生大量的微细裂纹，这些微细裂纹分布在晶界和晶粒上。虽然当加热钛酸铝烧结体时，a

4、.b轴向上的大的热膨胀绝大部分被众多的微细裂纹的弥合所抵消，导致产生很好的抗热震性，但是它们的存在却使钛酸铝材料难以致密烧结，导致很低的机械强度。3改善钛酸铝陶瓷热稳定性和强度的途径3.1引入添加剂改善钛酸铝陶瓷性能的进展3.1.1引入单一添加剂针对钛酸铝机械强度低、高温易分解的现状，可以引入一些氧化物作为添加剂，例如Fe203、MgO、Si02以及稀土金属氧化物Y203、La203>CeO2等[3-10]oFe3+的阳离子半径(0.064nm)比A13+半径(0.054nm)大，在1350°C以上和A12T105形成连续固溶体A12(l-x)Fe2xTiO5[5,9],Fe3+部分収代A

5、13+,抑制钛酸铝的热分解，且不影响它的低热膨胀系数。G.T订loca经过实验证明，含8.5%Fe203的钛酸铝陶瓷在1000°C处理300h后其分解率小于9%；而不加任何添加剂的钛酸铝经同样处理则完全分解[6]oMgO可以和Ti()2反应生成MgTi2O5,它的晶体结构与钛酸铝相同,可以形成固溶体，其组分通式为A12(l-x)MgxTil+xO5[7,9]。适量的MgO不但可以部分或全部控制钛酸铝陶瓷的热分解，而且可以提高陶瓷的机械强度，对陶瓷其它优异的热性能(比如低热膨胀系数)影响不大[3,7]。Si02作为添加剂可以形成有助于致密化的低共熔化合物，填充部分晶界，促进烧结，提高钛酸铝的

6、强度，Y.X.Huang通过实验[11]证明，样品成分中添加3%Si02时的机械强度比未添加S102的样品增强了3倍，而且该样甜还会相应地保持一个相对低的热膨胀系数(约为1.3X10-6K-1),但是Si4+只能与钛酸铝形成填隙型固溶体，对钛酸铝晶格影响不大，提高钛酸铝的稳定性作用不明显[8]。试样中引入2n)ol%稀土元素氧化物(Y203、La2()3.CeO2)后，由于稀土元素离子半径大，因此只能与钛酸铝形成固溶度很小的有限置换型固溶体，对于提高钛酸铝的热稳定性作用不大[8,10]o3.1.2引入复合添加剂由于单一添加剂效果有限，难以满足材料长期使用条件下不分解、机械强度高的低膨胀需求

7、，因此，采用复合添加剂来改善钛酸铝陶瓷的热稳定性和强度成为了新的动向。周健儿等人指出，利用MgO+SiO2、Si()2+A12()3、Si()2+Zr()2+A12()3等复合添加剂，能够与钛酸铝形成固溶休来制备低膨胀系数、高机械强度的钛酸铝陶瓷[12]o陆洪彬等人通过实验[13]也发现：复合添加10%Mg0和15%SiO2所制备的钛酸铝陶瓷抗弯强度为50.07MPa,平均热膨胀系数仅为0.2X10-6/°C,在1100