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可切削微晶玻璃的研究

余丽萍  
【摘要】: 可切削加工陶瓷是指在常温即可由传统的加工机械或刀具加工到精确的形状公差和表面光洁度的陶瓷,简称为可加工陶瓷。近年来,现代高科技产业的发展对陶瓷材料的性能提出了更为苛刻的要求,研制与开发具有良好力学性能的可加工陶瓷便显得日益迫切。而金云母基微晶玻璃以其良好的可切削性以及优异的电性能而备受关注。 本文研究了各种氧化物对云母系微晶玻璃熔制与性能的影响。结果发现MgO增加会弱化硅酸盐网络,导致玻璃结构稳定性下降。热处理温度和MgO含量的增加有利于云母晶体的析出及云母晶体径厚比的增加,改善微晶玻璃的可切削性。当MgO含量为31.4mol%时,在1100℃热处理后具有良好的可切削性。随Al2O3含量的增加,玻璃的熔制温度提高,玻璃的转变温度Tg和Tp略有提高,使玻璃的整体析晶能力下降,但有利于镁铝尖晶石相的析出。控制热处理制度可以获得不同形态的云母晶体。K2O的引入可促进云母基本单元[AlSiO3]的形成,有利于金云母相的析出。 将均匀设计应用于配方设计能显著减少实验工作量,而用灰色理论处理实验数据可定性分析影响云母相生成的主次因素。 研究了晶核剂ZrO2、TiO2及P2O5在SiO2-Al2O3-ZrO2系统中的作用,结果表明,在该体系中ZrO2不是有效的晶核剂,而TiO2可有效促进尖晶石晶相的析出。P2O5的添加使ZrO2在玻璃中的溶解度增大,有助于ZrO2的析出,晶化后试样含有尖晶石、钙长石和t-ZrO2。以t-ZrO2为主晶相时材料的抗弯强度是其它试样的2倍(达120MPa)。 以熔融法制备了金云母-莫来石体系微晶玻璃。结果表明,随Al2O3和SiO2含量的增加,玻璃的析晶能力变弱。原料中莫来石成分的添加有利于堇青石相的析出,同时也减小了析出晶粒的尺寸。显微硬度和可切削性与材料的微观结构密切相关。随着结晶度的增加及交错微观结构的形成,材料的显微硬度显著降低。当莫来石添加量为15wt%时,在1200℃热处理2h得到的微晶玻璃显示了良好的可切削性。 将含40wt%云母组分的玻璃粉添加到不同Al2O3/SiO2比的原料中,发现云母粉的类型对生成晶相的种类没有显著影响,但未晶化的云母粉更有利于试样的致密烧结。在1200℃烧结获得了致密化程度高、抗弯强度大的微晶玻璃(214MPa)。在云母-莫来石体系中分别引入ZrO2、La2O3、CeO2、Yb2O3和V2O5作晶核剂可使基础玻璃整体析晶,其促进玻璃析晶能力的顺序为ZrO2 V2O5 Yb2O3 CeO2 La2O3。基础玻璃中氧化物的阳离子场强越大,所制得玻璃的析晶活化能越小,阳离子场强大于8以后,析晶活化能的变化不显著。添加ZrO2、La2O3、CeO2、Yb2O3和V2O5后,可不同程度地抑制堇青石相的析出,有利于材料可切削性能的提高。ZrO2的添加使材料获得良好的细晶微观结构及更高的机械性能。添加稀土氧化物过量会抑制晶核的形成,不利于材料微观结构的细化。La2O3及CeO2的含量应分别小于1wt%和2wt%。


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