Mattia Biesuz ：氧化鋁的快速燒結：不同操作條件對致密化的影響

【引言】

氧化鋁是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體，常用于制造耐火材料。中國具有較豐富的鋁土礦資源，迄今已探明保守儲量23億噸，位居*4，具備發(fā)展氧化鋁工業(yè)的資源條件。據2004年以來的不*統(tǒng)計，國內已公布的氧化鋁投資項目達27個，測算總規(guī)模達1604.1萬噸。即使不考慮利用國外鋁土礦資源和到海外投資辦廠的項目，總規(guī)模也達到2814.1萬噸。致密化即熔體內部空隙總體積減少、顆粒間距縮短、燒結體積收縮、密度增大的燒結現(xiàn)象。

【成果介紹】

Mattia Biesuz等人認為：在恒定加熱速率下，在單軸壓制下制備的幾乎不含雜質的氧化鋁樣品（在Linseis L75膨脹儀中進行了20℃/min恒溫燒結試驗。）在電場從500 V/cm到1500 V/cm的范圍內快速燒結。在1500 V／cm下，燒結溫度隨施加電場的增加而顯著降低，甚至降低到900℃。快速燒結的起始溫度可以成功地模擬為所施加的電壓的函數。燒結溫度也受到處理過程中使用的電極材料的較大影響：使用銀或碳電極，燒結溫度比使用鉑電極時低約300℃。此外，燒結氧化鋁陶瓷的體積密度和孔隙率與施加的電流極限相關較大。分析了快速燒結前后的功率耗散，計算了兩種情況下的傳導激活能，表明該過程是基于離子擴散現(xiàn)象的。zui后，我們表明，在快速燒結期間，傳導的活化能降低，這表明在晶界上由電流局部化引起的物理或結構的改變。

【圖文導讀】

圖1：Pt電極在不同電壓和額定電流密度為2 mA/mm²（a）、4 mA/mm²（b）和6 mA/mm²（c）下燒結氧化鋁的收縮曲線。

圖2：在鉑電極之間燒結的氧化鋁的體積密度（a）和表觀孔隙率（b）與額定電流密度的函數。

圖3：在快速燒結實驗期間的特定功率損耗（電流限制=600 mA/mm²）。虛線表示在1500 V/cm下處理的樣品中用于活化能測量的溫度范圍。

圖4：快速燒結的起始溫度—應用電場的函數。連續(xù)曲線表示插值函數；虛線是計算在500 V/cm處去除點的插值曲線。

圖5：對于不同的電極材料（電流限制=2mA/mm²）在燒結時的總線性收縮率（a）和快速燒結中獲得的收縮率（b）。

圖6：樣品在不同電壓（2mA/mm²）下使用不同電極材料進行快速燒結的體積密度（a）和表觀孔隙度（b）。

圖7：快速燒結期間的平均比功率損耗—電流密度函數（a）和快速燒結期間的平均比功率損耗—應用鉑電極的施加電場函數（b）。

圖8：作為不同電極材料（2 mA/mm²）在快速燒結期間應用電場下的平均比功率損耗的函數。

圖9：利用試樣的幾何參數計算快速燒結中的電阻率（a）和考慮孔隙率作為測量電流密度的函數估計實際電阻率（b）。擬合數據使用q＝0.94 eV，ε＝0.65（a）和q＝0.76 eV，ε＝0.60（b）計算，并對實驗結果提供較好的近似。

    文中對氧化鋁的研究使用到LINSEIS熱膨脹儀系列中的DIL L75。林賽斯熱膨脹儀DIL L75分為水平式和垂直式以及激光式。當需要測定固體、粉末、或糊狀物的熱膨脹儀時，的真空頂桿式熱膨脹儀可滿足測量需求。所有的測量模式都基于一個具有超高精度的LVD位移傳感器。的系統(tǒng)設計和樣品室的控溫可以為測量提供zui高的準確度和分辨率，以及長期的穩(wěn)定漂移。

    激光膨脹儀是膨脹測量的中級手段。L75激光膨脹儀相比任何頂桿法膨脹儀器測精度高出33倍。基于邁克爾遜干涉的測量原理可以消除所有的機械誤差。用于像碳、石墨、復合材料、玻璃、氧化鋁、熔融石英、基板、半導體、等材料的zui高精度測量。對于需嚴格限定膨脹的材料像玻璃、雙金屬、精密電子器件等，L75激光是作為質量控制的理想選擇。