中國粉體網訊  陶瓷的耐磨性對于實際應用具有重要的意義，如各種陶瓷機械零部件、切削刀具、研磨介質等，都涉及耐磨性的問題。氧化鋁陶瓷具有較高的機械強度和耐磨性，以及較好的高溫熱性能，成本也相對較低，在耐磨領域被廣泛應用。

 圖片來源：浙江蔚藍航盾精密陶瓷科技有限公司

眼下，高鋁瓷耐磨性的好壞成為制約氧化鋁陶瓷發(fā)展的原因之一，國內外對提高氧化鋁陶瓷耐磨性的方法進行了大量的研究。人們普遍認為，通過對添加劑種類和含量的控制，調控氧化鋁陶瓷顯微結構，可以制備出晶粒尺寸細小，致密度高的高鋁陶瓷，提高其耐磨性。

稀土材料已成為改善陶瓷性能的常用添加劑

近年來，稀土化合物的運用越來越廣泛，特別是在先進陶瓷領域，科學工作者發(fā)現，添加少量或者微量的稀土元素能夠極大地提高陶瓷的性能。因此，稀土元素作為一種“工業(yè)維生素”正越來越受到各國科研工作者的青睞。

實際上，早在20世紀30年代，國外的工作者就將稀土材料運用到陶瓷工業(yè)之中，而我國的起步則較晚，直至20世紀70年代才開始這方面的研究。大量的實踐證明，稀土化合物作為穩(wěn)定劑、燒結助劑加入到陶瓷材料中，可以極大地改善陶瓷的機械性能，并且降低燒結溫度，節(jié)約成本。例如，有研究學者發(fā)現摻入少量稀土化合物能夠提高陶瓷耐磨性能。

La₂O₃摻雜

吳洋等以CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂體系為基體，通過對燒結溫度、體積密度和耐磨性能的試驗與測試，結合物相分析，探究La₂O₃對氧化鋁陶瓷耐磨性能影響機理。結果表明：添加適量的La₂O₃有利于提高氧化鋁陶瓷球的體積密度和耐磨性能，當摻量為1.6wt%時，試樣的磨損率降到最低。

其機理為：添加La₂O₃能夠與Al₂O₃生成晶界間的化合物LaAl₁₁O₁₈，強化了晶界結合強度，陶瓷的耐磨性能得以提高。

Sm₂O₃摻雜

吳洋等以98wt%Al₂O₃為基體，在CaO-MgO- Al₂O₃-SiO₂四元體系中，研究添加Sm₂O₃對98氧化鋁陶瓷燒結溫度、體積密度以及耐磨性能的影響。實驗結果表明：添加適量的氧化釤能夠降低陶瓷的初始燒結溫度并且提高氧化鋁陶瓷的體積密度和耐磨性能。當氧化釤的摻量達到1.6wt%時，陶瓷的磨損率達到最低，較不摻稀土的氧化鋁陶瓷試樣，耐磨性提高了約30.9%。除此之外，發(fā)現稀土Sm3+固溶到六鋁酸鈣中，增強了晶界結合強度，提升了陶瓷耐磨性能。

其機理為：一方面，Sm₂O₃的添加有利于細化陶瓷晶粒，提高致密度；另一方面，Sm₂O₃不僅可以與鋁酸鈣形成固溶體還能促進鋁酸鈣的生成，使高溫下的液相量增多，促進了氧化鋁顆粒有序的溶解結晶，有效降低了晶粒各向異性生長帶來的微觀應力，強化了晶界的結合力，同時，高鈣玻璃相向結晶態(tài)物質轉變，使得晶界處更傾向形成壓應力，提高了陶瓷的耐磨性能。

Er₂O₃摻雜

畢四龍等以工業(yè)Al₂O₃為主要原料，CaO-MgO-SiO₂作為燒結助劑的體系中，研究了Er₂O₃的添加對高鋁瓷的耐磨性的影響。結果表明：過量添加Er₂O₃明顯提高了陶瓷樣品的燒結溫度，陶瓷的耐磨性能也被惡化。而微量添加Er₂O₃對陶瓷的燒結溫度影響不大，且耐磨性能提高了約22%。

其機理為：

（1）當Er₂O₃添加量較少時，高溫下Er³⁺擴散進入氧化鋁晶格，與氧化鋁形成固溶體，產生固溶強化，并且有利于陶瓷晶界結合強度提升；陶瓷樣品中會出現大量片狀晶體穿插生長，有利于陶瓷的耐磨性能；且添加量在0.01wt%的樣品中的片狀晶體的尺寸要小于添加量為0.1wt%的樣品，耐磨性能更好，相比不摻的樣品磨耗降低了約22%。

（2）當Er₂O₃的添加量超過一定的量，高溫下Al³⁺擴散進入Er₂O₃晶格，并且由于收縮率不同，冷卻過程中在氧化鋁晶格留下凹坑，弱化陶瓷晶界結合強度，降低陶瓷致密度，比如0.2wt%、0.4wt%時，陶瓷樣品中不再出現片狀晶體，并且隨著添加量越來越多，晶粒尺寸變大，陶瓷的耐磨性被惡化。

Tb₄O₇

胡成等以工業(yè)Al₂O₃為主要原料，在CaO-SiO₂-MgO體系為添加劑的基礎上添加少量Tb₄O₇，研究Tb₄O₇的摻入和燒結氣氛對95瓷燒結性能、耐磨性及顯微結構的影響。結果表明：Tb₄O₇的摻入提高陶瓷致密度，增強氧化鋁陶瓷性能，提高了陶瓷耐磨性。

其機理為：摻入Tb₄O₇抑制氧化鋁晶粒長大，使氣孔排出充分，提高陶瓷的致密度，有利于氧化鋁陶瓷耐磨性的提高。

Y₂O₃

熊媛等以工業(yè)用氧化鋁為主要原料，在Al₂O₃-CaO-MgO-SiO₂系統(tǒng)中添加稀土氧化物Y₂O₃，研究了Y₂O₃的摻入對氧化鋁陶瓷燒結性能、體積密度、耐磨性能和微觀結構的影響。結果表明：Y₂O₃的摻入可以明顯降低氧化鋁陶瓷材料的燒結溫度，提高陶瓷材料的體積密度和耐磨性。

其機理為：摻入Y₂O₃的試樣會生成Y₃Al₅O₁₂，能在一定程度上凈化晶界，促進晶界處玻璃態(tài)物質向晶態(tài)轉變，提升晶界結合強度，從而提高陶瓷耐磨性能。

CeO₂摻雜

CeO₂是一種應用廣泛的稀土金屬氧化物，儲氧能力強，熱穩(wěn)定性高，耐腐蝕性好，廣泛應用于催化劑、電解質材料、穩(wěn)定劑等各個領域。

李麗麗等以工業(yè)用Al₂O₃為主要原料，在CaO-SiO₂-MgO系統(tǒng)里添加稀土氧化物CeO₂，研究了CeO₂的摻入及CeO₂的粒度對氧化鋁陶瓷燒結性能、耐磨性和顯微結構的影響。結果表明：摻入CeO₂可顯著降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度，提高陶瓷的致密性，有利于氧化鋁陶瓷耐磨性的改善。

其機理為：CeO₂的摻入抑制了晶粒長大，改善了陶瓷的顯微結構，從而提高了陶瓷的耐磨性能。摻入CeO₂平均粒度越小，這個作用更加明顯。摻入亞微米級CeO₂制得陶瓷的燒結溫度和磨損率都比摻入微米級的要低。

復合稀土氧化物摻雜

付鵬等以不同類型和不同量的六種稀土氧化物La₂O₃、CeO₂、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃、Dy₂O₃對氧化鋁陶瓷進行摻雜試驗，研究表明：某兩種或兩種以上稀土氧化物一起添加到氧化鋁陶瓷中，比單一稀土氧化物添加到氧化鋁陶瓷中對提高陶瓷耐磨損性能的效果要好。兩種或多種稀土氧化物的加入，不但繼承了多種稀土氧化物優(yōu)良的性質，還彌補了一種稀土氧化物帶來的不足，使得作用效果較好；同時多種稀土氧化物的相互作用也能夠促進氧化鋁陶瓷的燒結，提高瓷體耐磨性能。

其中，Y₂O₃+CeO₂的效果最好，它的加入使氧化鋁瓷致密度提高，相對密度可達96.2%，超過單獨添加任一種稀土氧化物Y₂O₃或者CeO₂樣品的密度。La₂O₃+Y₂O₃、Sm₂O₃+La₂O₃促進燒結的效果也比添加單一的要好，且耐磨性能明顯提高。這說明兩種稀土氧化物的作用機理更加復雜，這種混合不是簡單的量的加和，這種相互作用對氧化鋁陶瓷的燒結和性能提高更有利。

小結

氧化鋁陶瓷的耐磨性對于實際應用具有重要的意義，如各種陶瓷機械零部件、切削刀具、研磨介質等，都涉及耐磨性的問題。大量實驗證實了，稀土氧化物作為燒結助劑、穩(wěn)定劑、摻雜改性劑等加入到氧化鋁陶瓷材料中，可顯著地改善和提高其斷裂強度及韌性，同時降低陶瓷燒結溫度，從而降低陶瓷生產成本。所以在陶瓷中添加稀土氧化物，研究其影響陶瓷耐磨性的機理是很有意義的。

參考來源：

[1]吳洋等La₂O₃摻雜對氧化鋁陶瓷耐磨性的影響

[2]畢四龍等.Er₂O₃摻入對氧化鋁復合陶瓷的耐磨性和微觀結構影響

[3]胡成等.燒結氣氛對Tb₄O₇摻入氧化鋁陶瓷耐磨性的影響

[4]吳洋等.稀土Sm₂O₃對98氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響

[5]熊媛等.Y₂O₃，Ho₂O₃摻入對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響

[6]李麗麗等CeO₂摻入對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響

[7]付鵬等.復合稀土氧化物對氧化鋁陶瓷耐磨性能的影響研究

（中國粉體網編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除