简介概要

高强度氧化钪陶瓷的制备技术研究

来源期刊：稀有金属2017年第2期

论文作者：杨丛松陈博王芳郑剑平

文章页码：163 - 166

关键词：Sc2O3;真空烧结;热压烧结;热等静压烧结;

摘要：采用纯度4N以上（纯度>99.99%）的Sc₂O₃为原料,分别通过真空烧结、热压烧结、热压预烧结和热等静压烧结相结合的方法制备了Sc₂O₃陶瓷。分别采用阿基米德法、扫描电镜（SEM）和万能试验机等对上述3种方法制备的Sc₂O₃陶瓷的密度、抗压强度和微观形貌进行分析。研究结果表明:通过真空烧结制备的Sc₂O₃陶瓷密度高达3.80 g·cm-3,抗压强度为460 MPa;利用热压烧结制备的Sc₂O₃陶瓷密度为3.72 g·cm-3,抗压强度为1100 MPa;通过热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc₂O₃陶瓷密度为3.84 g·cm-3,抗压强度高达1900MPa。在提高Sc₂O₃陶瓷密度的前提下,减小烧结体的晶粒可以显著提高其抗压强度。因此,采用热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc₂O₃陶瓷可以满足特殊使用的要求。

网络首发时间: 2016-07-13 09:51

稀有金属 2017,41(02),163-166 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy14051501

高强度氧化钪陶瓷的制备技术研究

杨丛松陈博王芳郑剑平赵建翔

核工业标准化研究所反应堆工程与仪表室

中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所

北京有色金属研究总院稀有金属冶金材料研究所

浙江锆谷科技有限公司

摘要：

采用纯度4N以上(纯度>99.99%)的Sc_2O_3为原料,分别通过真空烧结、热压烧结、热压预烧结和热等静压烧结相结合的方法制备了Sc_2O_3陶瓷。分别采用阿基米德法、扫描电镜(SEM)和万能试验机等对上述3种方法制备的Sc_2O_3陶瓷的密度、抗压强度和微观形貌进行分析。研究结果表明:通过真空烧结制备的Sc_2O_3陶瓷密度高达3.80 g·cm-3,抗压强度为460 MPa;利用热压烧结制备的Sc_2O_3陶瓷密度为3.72 g·cm-3,抗压强度为1100 MPa;通过热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc_2O_3陶瓷密度为3.84 g·cm-3,抗压强度高达1900MPa。在提高Sc_2O_3陶瓷密度的前提下,减小烧结体的晶粒可以显著提高其抗压强度。因此,采用热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc_2O_3陶瓷可以满足特殊使用的要求。

关键词：

Sc2O3;真空烧结;热压烧结;热等静压烧结;

中图分类号： TQ174.758.11

作者简介：杨丛松(1972-),男,四川达州人,学士,高级工程师,研究方向:反应堆工程;电话:010-62863575;E-mail:ycs1900@si-na.com;

收稿日期：2014-05-15

基金：国家国防科技工业局技术基础项目(B0120120300)资助;

Fabrication of High Strength Scandium Oxide Ceramics

Yang Congsong Chen Bo Wang Fang Zheng Jianping Zhao Jianxiang

Division for Reactor Engineering and Nuclear Instrument,Institute for Standardization of Nuclear Industry

Institute of Reactor Engineering Research and Design,China Institute of Atomic Energy

Rare Metal Materials Institute of Metallurgy,General Research Institute for Nonferrous Metals

Zr-Valley Science & Technology Co.,Ltd.

Abstract：

Using 4N Sc_2O_3(the purity of more than 99.99%) as raw material,Sc_2O_3 ceramics were prepared by vacuum sintering,hot pressing sintering and combination of hot pressing sintering with hot isostatic pressing sintering.The density,compressive strength and microstructure of Sc_2O_3 ceramics were analyzed by Archimedes method,scanning electron microscope(SEM) and universal testing machine,respectively.The result showed that the density and the compressive strength of Sc_2O_3 ceramics prepared by vacuum sintering and hot pressing were 3.80 g·cm~(-3),460 MPa and 3.72 g·cm~(-3),1100 MPa,respectively.Whereas,the density and the compressive strength of Sc_2O_3 ceramics prepared by combination of hot pressing sintering and hot isostatic pressing sintering were 3.84 g·cm~(-3)and up to 1900 MPa,which could well meet special practical requirement.So on the premise of improving the density of Sc_2O_3 ceramics,reducing the grain size of the sintered body could significantly improve compressive strength.

Keyword：

Sc2O3; vacuum sintering; hot pressing sintering; hot isostatic pressing sintering;

Received： 2014-05-15

Sc₂O₃具有铁锰矿结构,属于立方晶系,密度为3.86 g·cm^-3,熔点高(2470 K)和化学稳定性好等特点^[1,2,3,4,5],在钪的密排六方(hcp)相和体心立方(bcc)相中,氧大范围溶解;化合物相Sc₂O₃的熔点高达2470℃^[6]。

Sc₂O₃除了具有高熔点、低热膨胀系数等性质外,还具有较高的强度、较好的韧性、弹性模量较大等优良的力学性能,能承受高温、高真空、铯蒸气和等离子体腐蚀等多种恶劣环境,因此Sc₂O₃可作为核反应堆用的陶瓷材料^[7,8,9]。Sc₂O₃陶瓷除了应具备耐高温、蒸气压低、与铯蒸气相容性较好的性能之外,还要求纯度高、强度高以及一定的加工性能。

美国的Gazza等^[10]利用改进的热压技术成功地制成Sc₂O₃高温陶瓷,采用的Sc₂O₃粒度约为1~2μm,制备的Sc₂O₃高温陶瓷的弹性模量为2.5×10⁵MPa,断裂模量为223 MPa。日本的Li等^[11]采用高纯、超细、粒度分布窄、近似球形、烧结性能优良的Sc₂O₃粉体在真空状态和1625℃的烧结温度下,制成了Sc₂O₃晶粒粗大的陶瓷。

由于氧化钪的价格昂贵,因此只能应用于特殊领域。到目前为止,关于高强度氧化钪陶瓷的文献资料较少,因此有必要对核反应堆用高强度氧化钪陶瓷进行研究。

1 实验

1.1 原料及试样制备

由于Sc₂O₃材料中的杂质会影响其使用性能,因此本实验选取的原料Sc₂O₃的纯度为4N以上,其杂质含量见表1,制备过程中不能引入杂质。原料的纯度高、粒度细、分散性高等特性是保证制得均匀连续单相结构的高强度Sc₂O₃陶瓷的关键。

添加剂虽有助于提高烧结活性、降低烧结温度,但给陶瓷带来了杂相,影响了陶瓷的纯度,因此核反应堆用高强度氧化钪陶瓷的制备中不加任何助烧结剂。

真空烧结方式制备氧化钪陶瓷:为了便于压实粉体,获得较高的坯体密度,采用150 MPa的压强,保压时间为2 min。将坯体进行真空烧结,在1700℃保温时间2 h,升温速率9℃·min^-1,在升温过程中于1200℃保温1 h,真空度高于1×10^-3Pa。

热压预烧结和热等静压烧结相结合方式制备氧化钪陶瓷:将氧化钪粉体放入石墨模具中进行热压预烧结,预烧结条件为:1450℃保温1 h,升温速率8℃·min^-1,在升温过程中于1350℃保温0.5 h,压强为12 MPa。再经热等静压二次烧结,二次烧结的压力为150 MPa,温度1450℃,保温时间1 h,在升温过程中于1400℃恒温0.5 h。

1.2 性能测试及表征

分别对真空烧结、热压预烧结和热等静压烧结相结合的方法制得的氧化钪陶瓷进行性能测试及微观分析。

采用阿基米德法精确测量陶瓷的密度,所用G324A型光电分析天平,精度为万分之一克。试样的抗压强度在Instron-5569型万能试验机上进行测定。在HITACHIS-35000N型扫描电子显微镜(SEM)下观察陶瓷的断口形貌,以探讨不同烧结方式对氧化钪陶瓷性能的影响。

2 结果与讨论

图1为真空烧结后烧结体断面的SEM照片,可以看出Sc₂O₃基本烧结,晶粒尺寸较大(20~50μm),晶粒较大与温度过高有关;同时在烧结体的内部还可以观察到微孔,微孔的形成是在晶粒长大时,晶界移动的速度大于气孔排出的速度所致。真空烧结主要通过蒸发一凝聚机制和扩散机制为主导,在烧结初期,坯体间颗粒重排,大的气孔消失;烧结中期,颗粒变形较大,气孔联通;在烧结末期,气孔变成孤立闭气孔。

图2为热压烧结后烧结体断面的SEM照片,可以看出Sc₂O₃基本烧结,晶粒尺寸较小(1~2μm),但不太致密,有部分气孔,降低了烧结体的力学性能;微孔的形成是在晶粒长大时,晶界移动的速度高于气孔排除的速度所致。图3为热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc₂O₃陶瓷断面的SEM照片,可以看出晶界处基本不存在气孔,晶粒尺寸平均2~3μm且均匀,晶粒有长大现象,是由于烧结时晶粒长大的速率较小,气孔不封闭在结晶体内。采用的热等静压烧结方式主要与物质的黏性流动机制有关^[12]。通过热压烧结和热等静压烧结的相互补充,使烧结体达到了更高的致密化程度,相对密度达到了99.5%。

表1 Sc₂O₃原料的杂质含量Table 1 Impurity contents of raw material Sc₂O₃(10^-6) 下载原图

表1 Sc₂O₃原料的杂质含量Table 1 Impurity contents of raw material Sc₂O₃(10^-6)

图1 真空烧结后烧结体断面的SEM照片Fig.1 SEM image of sintered body section after vacuum sintering

图2 热压烧结后烧结体断面的SEM照片Fig.2SEM image of sintered body section after hot pressing sintering

从表2可以看出,真空烧结制备的Sc₂O₃陶瓷虽然密度较大,但由于晶粒较大,其抗压强度反而较低;热压烧结制备的Sc₂O₃陶瓷,热压方向的抗压强度为1100 MPa,经过热等静压二次烧结制备的Sc₂O₃陶瓷,热压方向的抗压强度为1900 MPa。虽然真空烧结方法比热压烧结方法制备的Sc₂O₃陶瓷的密度大,但由于晶粒比较粗大,其抗压强度反而较低。尽管热压预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc₂O₃陶瓷晶粒比热压烧结法的尺寸大,但其密度达到理论密度的99.5%,致使制备的Sc₂O₃陶瓷的抗压强度高。以上说明,Sc₂O₃陶瓷的抗压强度与陶瓷的晶粒大小有关^[13],晶粒越大,抗压强度越小,晶粒越小,抗压强度越大^[14],因此Sc₂O₃陶瓷的抗压强度既与陶瓷的晶粒大小有关,又与陶瓷的密度有关。

图3 热压预烧结和热等静压后烧结体断面的SEM照片Fig.3 SEM image of sintered body cross section after hot pressing presintering and hot isostatic pressing sintering

表2 3种不同烧结方式制备Sc₂O₃陶瓷密度和抗压强度Table 2Density and compressive strength of Sc₂O₃ce-ramic for three different sintering methods 下载原图

表2 3种不同烧结方式制备Sc₂O₃陶瓷密度和抗压强度Table 2Density and compressive strength of Sc₂O₃ce-ramic for three different sintering methods

从烧结阶段上看,采用热压预烧结和热等静压烧结相结合的坯体在第一次热压烧结时的温度较低(1450℃)、时间较短(1 h),坯体的烧结过程结束在气孔封闭之前(烧结末期),晶粒剩余了部分的表面能、晶界能、晶体缺陷,能有效避免坯体在再次烧结时中发生死烧结^[15]。在热等静压烧结阶段,由于在更高的温度和压力的驱动下,烧结坯体最终达到了高致密化程度。通过两种烧结机制的相互结合,使烧结的陶瓷达到了更高的致密化程度,相对密度达到了99.5%,室温抗压强度为1900 MPa(热压方向)。

3 结论

采用真空烧结制备的Sc₂O₃陶瓷虽然密度高达3.80 g·cm^-3,但其抗压强度仅为460 MPa,是烧结温度较高、晶粒较大的缘故。而采用热压烧结制备的Sc₂O₃陶瓷密度为3.72 g·cm^-3,其抗压强度高达1100 MPa;采用预烧结和热等静压烧结相结合制备的Sc₂O₃陶瓷密度为3.84 g·cm^-3,其抗压强度高达1900 MPa。因此,在提高Sc₂O₃陶瓷密度的前提下,减小烧结体的晶粒可以显著提高其抗压强度。