山东省陶瓷协会
淄博市陶瓷琉璃产业链推进办公室
淄博市传统产业发展中心
山东领瓷展览有限公司
前言：
热振荡压制(HOP)是最近发展起来的一种烧结技术，在烧结过程中施加振荡压力。自2014年以来，已广泛应用于各种材料，例如ZrO2、AlN、Si3N4、W–Ni–Fe和WC-Fe-Ni等。据报道，HOP使人们能够有效地提高这些材料的烧结能力和性能。为了理解HOP的烧结机理，也进行了一些研究，并提出了一些因素，如改进的颗粒重排、增强的晶界滑动和优越的塑性变形。由于这些机制可能在不同的烧结阶段占主导地位，因此阐明该过程每个步骤中振荡压力的影响是有指导意义的。
此文研究了不同烧结阶段振荡压力对氧化铝陶瓷烧结行为和力学性能的影响。与传统热压制备的陶瓷相比，热振荡热压制备的陶瓷具有更高的密度和更小的晶粒尺寸以及更高的硬度和断裂强度。振荡压力有利于改善氧化铝陶瓷的烧结行为，这与烧结步骤无关。此外，施加振荡压力的温度越高，陶瓷的机械性能越好，因此陶瓷的性能也越好。
实验材料：
实验选取粒径d50为170nm，纯度约为99.99%，比表面积为14.5m2/g的α-Al2O3粉末，粉末在没有烧结助剂的情况下使用。
实验步骤：
将粉末放入内径为60mm的石墨模具中，并在热振荡压制炉中烧结。在不同的加工条件下制备了五组样品。第一种是由传统的HP制备的，其中温度首次增加到900℃并保持60分钟，然后增加到1100℃并维持60分钟，最后增加到1300℃，然后将样品在炉中冷却至室温。在高压过程中，当温度达到900℃时，施加40MPa的静态单轴压力，并一直保持到烧结结束。按照与HP试样相同的程序制备第二、第三和第四系列陶瓷，除此之外，当温度保持在900℃、1100℃、1300℃时，在静压(40 MPa)上叠加了频率为2Hz的±5 MPa的振荡压力。最后，通过相同的方法制备第五组样品(标记为HOP All，见图1)，但同时施加振荡压力和静压的温度保持在900℃、1100℃、1300℃。
陶瓷的密度通过蒸馏水中的阿基米德法进行评估。在S-4700装置上，通过扫描电子显微镜(SEM)对样品的微观结构进行了表征。使用维氏硬度计在1.96N-15s下评估陶瓷的硬度。断裂强度试验通过三点弯曲技术在3mm×4mm×36mm的样品上进行，跨度为30mm，试验速度0.5mm/min。 实验结果： 根据在不同温度下固结的氧化铝陶瓷的密度(如图2)，在900℃时(60.3%)，1100℃(81.9%)和1300℃(97.4%)，对应于陶瓷烧结的初始、中间和最终阶段。也就是说，无论在烧结的初始阶段、中间阶段或最终阶段，施加振荡压力，它都有助于加速致密化。 此外，施加振荡压力的温度越高，越有利于致密化。在烧结的中间和最后阶段使用振荡压力也可以促进陶瓷的凝固。 在所有三个阶段中，暴露于振荡压力下的样品的密度远高于通过一步跃点或高压烧结的样品的密度。 通过HP获得的样品显示出比HOP烧结样品更多孔的结构和更大的晶粒尺寸(1.75±0.27μm)。反过来，在HOP-ALL组的样品中发现最小的晶粒尺寸(1.41±0.32μm)。因此，HOP-900、HOP-1100和HOP-1300试样的粒度介于HP-ALL和HOP-ALL之间。振荡压力对晶粒生长的影响可能来自晶界能量的降低或曲率半径的增加，或两者兼而有之。 OPS烧结样品的硬度高于HP烧结样品的硬度；HOP1300的硬度高于HOP-1100和HOP-900。HOP-ALL组ce分支的硬度值最高(20.98±0.25 GPa)。霍尔-佩奇效应描述了陶瓷材料的硬度取决于晶粒尺寸和孔隙率。 有研究表明，当晶粒尺寸大于0.25μm时，晶粒尺寸的影响变得不明显。在本研究中，样品的粒度大于1μm。在此，可以忽略晶粒尺寸对硬度的影响。 所有样品的硬度和孔隙率之间的关系均满足要求，表明材料硬度的增加主要是由于密度的增加。 测试材料的断裂强度，结果如图4所示。结果表明，HOP烧结试样的断裂强度明显高于HP烧结试样；此外，HOP陶瓷的弯曲强度误差范围小于HP试样。 在烧结过程中施加振荡压力改善了氧化铝陶瓷的机械性能。与HP-ALL相比，HOP-ALL组的断裂强度提高了约19%，这可能是由于密度更高，晶粒更小所致。
总结： 本文采用HOP和HP法制备了纯氧化铝陶瓷。与仅暴露于静态压力下的陶瓷相比，在不同烧结阶段承受振荡压力的样品显示出更高的密度和更小的晶粒尺寸以及更好的硬度和断裂强度。与烧结步骤无关，振荡压力有利于改善氧化铝陶瓷的烧结行为。此外，施加振荡压力的温度越高，样品的机械性能越好，这对于在所有三个阶段承受振荡压力的陶瓷尤其明显。因此,振荡压力对材料的特性产生耦合效应，从而改善材料的性能。