稀土氧化物对高铝陶瓷耐磨性和耐酸性影响机理的研究

【摘要】：氧化铝陶瓷因具有一系列优良的特性而被广泛应用于各领域。由于科学技术的高速发展对材料性能提出了更高要求,如何突破耐磨、耐酸性能优异高铝陶瓷的制造技术成为中、外无机材料工作者共同面临的重要课题。本论文的主旨是探索研究稀土氧化物对高铝陶瓷耐磨、耐酸性能的影响机理。以研磨介质和压裂支撑剂的发展方向与需求为背景,在CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2体系中引入稀土氧化物作为晶界相调节剂,采用常压、低温快烧技术制得高铝瓷,通过对物相、显微结构等的调控实现对材料耐磨、耐酸性能的调控。研究成果如下:1、添加钪、钆、镱、镥稀土氧化物可以抑制晶粒生长,通过改变大小晶粒尺寸和数量的匹配度以改善显微结构,提高致密度;另一方面可以改变陶瓷的物相组成,稀土离子以固溶的形式促进CaAl_(12)O_(19)生成,或者利用生成的铝酸稀土化合物固溶碱土金属离子,以减少晶界处的离子偏析和玻璃相中的钙质成分,达到净化、窄化晶界,优化晶界强度的目的;另外,稀土氧化物还可以降低陶瓷中玻璃相的热膨胀系数和软化温度点,结合低膨胀系数CaAl_(12)O_(19)的生成,改变或减弱了晶界处的残余应力。几种因素协同作用最终提高了氧化铝陶瓷的耐磨性能。能够提高陶瓷耐磨性能的稀土氧化物还包括Y、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Er。但是,添加氧化铥由于生成热膨胀系数高的晶界间相,导致冷却过程中因体积大量收缩增加了晶界处的拉应力,既破坏了材料的结构又减弱了晶粒间的结合强度,造成陶瓷耐磨性能变差。降低陶瓷耐磨性能的稀土氧化物还包括:Pr、Eu、Ho。2、耐酸物相的生成是提高陶瓷耐酸性能的关键,主要耐酸机理包括皮壳机制和腐蚀产物的隔离机制。添加稀土氧化物使得陶瓷中生成具有良好耐酸性能物相。当酸液将不耐腐蚀的物质溶解后,具有良好抵抗酸液侵蚀能力的物相在陶瓷表面形成含有多孔的坚实皮壳。多孔结构不仅使酸液向内部侵蚀的路径变得更加复杂,减缓了腐蚀速度,还使酸液浓度在由外向内扩散时逐渐降低,对样品内部的保护效果显著。添加氧化钇后,陶瓷中的部分组分与酸液发生反应,在晶粒表面生成大量化学性质稳定的含稀土氟化物,有效地将样品与酸液隔离。另外,致密的结构减少了酸液与样品的接触面积,是陶瓷耐酸性能提高的另一重要原因。3、稀土铝酸盐可以固溶晶界处的硅或碱土金属离子,起到了净化、窄化晶界的作用,为利用晶界工程调控材料耐磨和耐酸性能提出方向性指导。论文提出了添加稀土氧化物提高高铝瓷耐磨、耐酸性能的思路,突破了99瓷耐磨性能难以提高的瓶颈,制备氧化铝瓷球的磨损率低至0.000238‰;找到了提高含硅体系氧化铝陶瓷耐酸性能的方法,制备压裂支撑剂的酸溶解度低至0.18%。此外,还填补了稀土氧化物在氧化铝陶瓷耐磨、耐酸领域机理研究方面的空白,对工业生产高氧化铝含量优质陶瓷有重要意义。

【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1