溶胶 – 凝胶法制备莫来石堇青石复合粉体的性能及烧结性能外文翻译资料

 2022-06-28 23:13:33

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

溶胶 - 凝胶法制备莫来石堇青石复合粉体的性能及烧结性能

Mohamed G. M. U. Ismail，* Hideo Tsunatori和Zenjiro Nakai研究开发部，Chichibu水泥有限公司，埼玉县熊谷市，日本

摘要：莫来石/堇青石复合粉末含有不同比例的堇青石，它可以采用溶胶 - 凝胶法，使用勃姆石，胶体二氧化硅和六水合硝酸镁来制备。莫来石和堇青石溶胶是分别制备并混合形成的复合溶胶。 莫来石化温度取决于复合材料中的堇青石含量。另外，在富含莫来石的（MC20）复合材料中，堇青石在较低温度下就可以结晶。在1450℃煅烧12小时的粉末的XRD图显示莫来石和堇青石以两个不同的相存在，并且没有观察到额外的相。 复合材料的红外吸收光谱显示出与莫来石和堇青石相对应的特征峰。粉末的烧结密度随着温度升高至1450℃而增加并且降低至超过堇青石的熔点（1455℃）。 在1440℃烧结3小时的MC30的微观结构由针状晶粒组成，而在MC40和MC50中，在相似的烧结条件下观察到等轴晶粒形态。弯曲强度和维氏硬度随着复合材料中堇青石含量的增加而降低。介电常数和热膨胀性能也具有相似行为。

关键词：莫来石，堇青石，复合材料，溶胶 - 凝胶，烧结。

Ⅰ前言

最近，公布了用于制备高纯度莫来石粉末的不同工艺[1-4]，其中一些工艺已经扩大到半商品化水平。莫来石（3AI2O3. 2Si02）是AI2O3-Si02二元体系中的主要结晶相，并且其已被用作高温耐火材料。 高纯度莫来石粉末gt; 9 8％可在约1650℃的温度下烧结至理论密度（3.17g / cm 3），并具有优异的高温强度。 由于其低介电常数和热膨胀，莫来石也被认为是用于电子封装[5]的合适材料。

堇青石（2MgO.2A1203-5SiO2）和基于堇青石的玻璃陶瓷是用于电子封装[6-7]的有前途的材料，并且它可以提供较低的介电常数（在1MHz下为5.0）和与Al2O3或莫来石相比较低的热膨胀系数。然而，堇青石陶瓷在没有任何烧结助剂[7]的情况下难以烧结：因为它具有非常窄的烧结温度范围，在其不一致熔点1455℃的25℃范围内。最近，我们可以使用金属醇盐[8]并通过溶胶 - 凝胶法制备纯的结晶堇青石粉末。这些粉末可以在没有任何烧结助剂的情况下烧结，但没有观察到机械性能的增强。

VLSI（超大规模集成电路）器件的不断发展需要一系列具有低介电常数和大范围热膨胀特性的材料。堇青石分散的莫来石复合材料允许选择具有各种各样的介电常数和热膨胀值的材料[9]。

我们已尝试用不同方法[10,11]制备莫来石/堇青石粉末。 在其中一种方法中，分别制备堇青石和莫来石粉末并混合以获得所需的组成。诸如将这些复合材料烧结在堇青石的熔点以下是困难的（1455℃）。 另一种方法描述了使用金属醇盐合成富堇青石复合物的方法。

在本研究中，使用无机胶体悬浮液通过溶胶 - 凝胶法制备含有高达60％堇青石的莫来石/堇青石复合粉末。其中工艺，粉末特性以及烧结，物理，热学和电学性质都将在本文中给予描述。

Ⅱ实验过程

Ziegler制备勃姆石粉末，其具有270 m2 / g的BET表面积，微晶尺寸（（020）反射）32A（3.2nm）和杂质含量（TiO 2，Fe2O3，Na2O）lt;0.1％，被用作Al2O3的来源以制备莫来石/堇青石复合陶瓷粉末。胶态硅酸盐的BET表面积为140m 2 / g，总二氧化硅含量为96.5％，碱含量lt;0.03％，其被机械分散于去离子水中以制备胶体二氧化硅悬浮液。六水合硝酸镁溶于水中，并用作制备堇青石溶胶中的MgO来源。

在回流条件下使用浓HNO 3（pH 3.0）通过胶溶制备透明勃姆石溶胶。 首先，将勃姆石溶胶和二氧化硅分散体混合，得到Al2O3 / SiO 2摩尔比为1.5的莫来石溶胶。同时，将硝酸镁溶液与二氧化硅分散体混合并随后加入勃姆石溶胶，分别制备堇青石溶胶。将莫来石和堇青石溶胶适量混合以形成所需的莫来石/堇青石复合溶胶。 形成的复合溶胶高度粘稠并在几分钟内凝胶化。 溶胶的混合顺序对于形成多相复合材料很重要。

制备含有20％，30％，40％，50％和60％的分散堇青石相的莫来石/堇青石复合粉末; 这些粉末在下文中分别被称为MC20，MC30，MC40，MCSO和MC60。

使用配备有高达1500℃的加热设备的差热分析仪以10℃/分钟的加热速率记录前体凝胶的热分析图。利用CuKa辐射源在1rsquo;28分钟内每分钟照射一次，以alpha;-石英（SiO2）作为内标，采用（041），（401），（331）和（002）反射，从而获得X射线衍射图。

记录煅烧粉末的红外光谱。通过粒料法制备用于红外分析的样品，由此将复合粉末与IR级KBr以1：200的比例混合，随后压制成透明薄盘。 作为参考，使用KBr盘。

将烘干的凝胶碎片球磨并在1300℃下煅烧1小时。 为了研究这些粉末的烧结行为，球磨在使用TZP球的含水介质中进行15小时。所形成的浆料在120℃下烘干并过筛至通过150目（ASTM）。粉末的平均粒径为1.5mu;m。通过在2吨/ cm 2（1.8times;10 3 kg / cm 2）的压力下等静压制备用于烧结研究的矩形块。这些块的烧结是在环境条件下在1400℃和1550℃之间的温度下进行3小时，烧结后的堆积密度通过液体置换法测定，复合材料的理论密度通过假设各自的密度的莫来石和堇青石为3.17和2.51g / cm3来计算。

在SEM和TEM下观察烧结样品的微观结构。 对于SEM观察，将样品抛光并在1350℃下热蚀刻30分钟。 对于TEM观察，将切片样品离子稀化。 使用40nm的探针在TEM / STEM显微镜下进行TEM观察后，通过能量分散微量分析（EDX）得到不同的X射线光谱。

烧结复合材料的机械测试是在三点弯曲模式下进行的。 矩形棒状样品的典型尺寸为40mm长，4mm宽，3毫米厚。 挠曲测试在0.5mm / min的十字头速度下进行。 采用维氏显微压痕法测定维氏硬度和断裂韧度（Klc）。

介电常数和电阻率分别用直径50mm，厚1.5mm的圆形试样在1MHz和500V下测量。 使用Al2O3和内部标准，用17mm长的样品测量热膨胀系数。 通过激光闪光法使用直径10mm和厚度1.5mm的圆形样品测定导热率。

Ⅲ结果和讨论

  1. 凝胶的结晶特性

用DTA技术研究了凝胶的热化学行为，MC40，MC60和堇青石凝胶粉末的DTA曲线如图1所示。 在98℃吸热是由于物理吸收水的解吸。堇青石凝胶在366℃，MC40为403℃，MC60为382℃的另一个吸热峰与勃姆石脱水形成gamma;-Al2O3相有关，而纯勃姆石的相应温度为420℃。使用勃姆石作为Al2O3源制备的硅酸铝凝胶（含有60％至80％的Al2O3）没有显示勃姆石脱水温度的变化。 这表明勃姆石与gamma;-Al2O3转变温度取决于Mg 2 浓度。 在MC40和MC60中分别在1260℃和1275℃的放热表明了莫来石化。MC60在1275°C时的放热曲线明显而清晰，而MC40则是在1260°C处居中扩散。 显然，这两种放热曲线分别与斜方晶系和假四方晶系莫来石[12]的结晶相关。通过拍摄X射线衍射图清楚地观察到这两种类型的莫来石的存在。 正交莫来石的（120）和（210）线明显分裂，假四方莫来石没有观察到分裂。 但随着煅烧温度的升高，假四方莫来石转变为更稳定的斜方晶系莫来石。这两类莫来石的形成取决于凝胶的总体组成。 过量的无定形硅石[13]的存在有利于形成斜方晶系莫来石。 MC60凝胶中的总体SiO2含量高于MC40，并且有利于直接形成稳定的莫来石。在MC40和MC60凝胶粉末的情况下，没有观察到对应于ｕ-和beta;-堇青石形成的放热。 在两种凝胶中1448℃的扩散放热表明alpha;-堇青石的结晶。用与制备复合材料相同的三种溶胶制备的堇青石凝胶的DTA曲线显示出两种放热曲线，分别为1217℃和1296℃，表明分别形成了ｕ-堇青石和转变为beta;-堇青石， 在1448℃的扩散放热峰表明形成了稳定的alpha;-堇青石形式。

图1（a）纯堇青石凝胶粉末，（b）MC40凝胶粉末和（c）MC60凝胶粉末的DTA图

MC10，MC20，MC30，MC40，MC50和MC60凝胶粉末的煅烧在1200-1450℃的温度范围内进行1-12小时。在1250℃以上的温度下，MC10中仅观察到单相莫来石。其他凝胶粉末在1200℃下形成y-Al2O3（尖晶石相），并在1250℃下转变为莫来石和ｕ-堇青石。 还观察到theta;-A1203的痕迹。 在1300℃下粉末进一步退火之后，用beta;-堇青石出现结晶良好的莫来石。在1300℃煅烧1 h的莫来石/堇青石复合粉末的XRD图如图2所示。对于富含莫来石的复合材料，beta;转变为alpha;形式的温度稍低一些。 即使在1450℃煅烧12小时后，粉末的相组成也没有变化。

通过将氧化铝和二氧化硅溶胶与六水合硝酸镁溶液混合而制备的凝胶粉末在1300℃煅烧1小时，形成莫来石和具有alpha;-Al2O3和方石英作为附加相的莫来石和堇青石，这表明在不产生任何附加相的情况下，溶胶混合的顺序对于产生所需的组成非常重要。

图2煅烧堇青石分散凝胶粉末在1300℃下煅烧1小时的XRD图谱

测定了1450℃煅烧12 h后复合材料中莫来石的晶胞尺寸和微晶尺寸。莫来石的晶胞参数a随着堇青石含量的增加而增加，相应地，晶胞参数b减小。

使用（331）反射测定莫来石的微晶尺寸。在类似条件下通过煅烧凝胶形成的纯莫来石的微晶尺寸为33nm。 通过掺入量高达20％的堇青石，观察到莫来石的微晶生长。 在堇青石含量较高时，莫来石的微晶尺寸减小。 在含有50％堇青石的复合材料中观察到最小值为37.5nm。

  1. 红外光谱学

图3给出了纯莫来石和复合材料的红外光谱。在MC20和MC30复合材料中，在1175cm-1处莫来石的特征AI-0（AIO4）吸收带较宽，但随着堇青石含量的增加， Al-0（Al04）带变窄，表明Mg从固溶体中溶出。对于纯堇青石，在1120cm-1处观察到特征Si-O伸缩振动[14]，但在复合材料中不可见。 属于堇青石中SiO4四面体的环结构的谱带在所有复合材料中以780cm-1的频率观察到。 该峰的强度随着莫来石含量的增加而减小。 在含有超过30％堇青石的所有复合材料中观察到莫来石和堇青石的其它特征谱带。 没有观察到镁铝尖晶石（700和526cm-1）的特征谱带，证实了通过X射线衍射研究获得的结果。

图3 1300℃煅烧1 h莫来石/堇青石凝胶粉的红外光谱。（C =堇青石，M =莫来石）

  1. 烧结和微观结构

透射电镜观察表明，这些颗粒是烧结的微晶，没有形态差异可以

区分为莫来石或堇青石。 图4 MC60，MC50和MC60粉末的TEM显微照片和MC60点（A），（B）和（C）的EDX光谱。

但是在一些颗粒中观察到20-40nm的颗粒内球形斑点。 具有颗粒内分散相的颗粒的TEM显微照片在图4中给出并进行两种颗粒的TEM和EDX分析。没有分散相的颗粒组成相当于含有1.0-1.5％MgO的莫来石。 具有分散相的颗粒的总体组成对应于堇青石。 MC60的分散颗粒（A）和（B）的TEM和EDX分析表明，与基质相比，颗粒富含SiO2。另一方面，基质富含Al2O3和MgO。 这些类型的亚微结构特征在玻璃[15]中是常见的，并且由于混溶性缺口而出现。 类似地，MgO-Al2O3 -SiO2中的混溶性间隙促进了离散颗粒结构的形成。 相同粉末的XRD图谱未显示除莫来石和堇青石以外的任何其他相的存在。 纯堇青石粉末的TEM观察显示出完全不同类型的形态，并且在晶粒内没有观察到第二相。

粉末成型体的烧结是在1400℃和1500℃之间的温度下进行的，时间为3小时。MC30，MC40，MC50和MC60的烧结曲线在图5中给出。烧结样品的堆积密度随着温度升高而升高，直到所有组合物的温度都升高到1450℃，但超过此温度时就会降低。在1455℃形成堇青石玻璃，改变了基体中莫来石晶粒的晶粒形态，导致形成多孔微结构，从而使烧结密度降低。 图6给出了在1400℃下烧结3 h的MC30，MC40和MC50的SEM显微照片。MC40和MC50的微观结构由等轴晶组成，在MC30中观察到针状晶粒形态。随着堇青石含量的增加，平均晶粒尺寸也减小。 针对MC30复合材料观察到的针状晶粒形态是由于沿晶界存在玻璃相。 MC30玻璃袋的TEM / EDX分析表明存在MgO，Al2O3和SiO2。 这可能是复合材料中部分堇青石熔化的结果。该观察结果与莫来石复合材料测定的X射线微晶尺寸数据一致，其中在相同的退火条件下，莫来石的微晶尺寸从MC20中的55nm降低至MC50中的37.5nm。 在玻璃相存在下莫来石的异常微晶生长是主要的。 从这些结果可以清楚地看出，堇青石在低于1455℃的温度下在富含莫来石的复合材料中熔化（重量gt; 70％）。

图5.莫来石/堇青石复合材料的烧结曲线。

图6 MC40（C = 30％），MC40（C = 40％）和MC50（C = SO）复合材料在1440℃下烧结3小时的SEM图（棒MC30 =0.7mu;m，MC40 =1.98mu;m, MC50 =1.75mu;m）

在图7中给出了在1440℃下烧结3小时的MC40和MC60复合材料的微观结构的TEM显微照片。微观结构由两种类型的晶粒组成 包括和不包含分散相。 TEM / EDX分析表明亚微结构相与烧结前颗粒中观察到的相似。 因此未观察到这些富含二氧化硅的离散颗粒的粗化。

<p

全文共10339字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

资料编号：[10543]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章