MgO·1.8Al2O3透明陶瓷的水基凝胶注模成型与制备研究

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MgO·nAl2O3富铝尖晶石透明陶瓷因具备优异的光学性能、机械性能以及良好的化学稳定性等,在透明装甲、导弹头罩、高温窗口、高压灯管等领域具有广阔的应用前景。此外,富铝尖晶石MgO·nAl2O3(n>1)在组成上的可变性赋予其在透明陶瓷性能上大的可调控能力。水基凝胶注模成型是一种近净尺寸成型技术,因其可以制备大尺寸、复杂形状的部件从而更好地满足实际应用需求。然而由于镁铝尖晶石粉体在水溶液中团聚和聚沉,使得高固相量(≥50 vol%)低黏度(≤1 Pa·s)水基料浆的制备变得十分困难。针对以上问题,本论文以MgO·1.8Al2O3尖晶石透明陶瓷为研究对象,通过固相反应首先制备了颗粒细小均匀、纯度高且无杂相的MgO·1.8Al2O3尖晶石陶瓷粉体,随后对MgO·1.8Al2O3粉体的表面水解行为、抗水化改性处理、改性机理、改性效果等进行了详细的研究和表征。研究发现:MgO·1.8Al2O3粉体在水中容易团聚和聚沉的主要原因是其表面存在的强极性羟基-OH在水中易形成水化膜从而导致其分散性很差;采用硬脂酸一端的-COOH可与MgO·1.8Al2O3粉体表面的-OH发生缩聚反应在粉体表面形成疏水的有机隔离层,有效避免了水化现象的产生;引入了硬脂酸导致改性粉体强的疏水性,我们成功采用O/W型两性表面活性剂Tween 80(HLB=15.0)可以很好地解决改性粉体在水中的分散问题并获得稳定的高固相量水基悬浮料浆。通过研究凝胶注模成型过程中各个实验条件对成型的影响,优化了每一个过程的工艺参数,并成功制得固相量为50 vol%、黏度为363 mPa·s的悬浮稳定料浆和强度为10.5±0.4 MPa、相对密度达56.2%的均匀坯体。脱脂后的坯体先后经过无压预烧和热等静压烧结后,制备出可见光范围透过率达77-82%、近红外区域透过率达85%的MgO·1.8Al2O3尖晶石透明陶瓷。与MgAl2O4尖晶石相比,MgO·1.8Al2O3尖晶石透明陶瓷的杨氏模量、硬度以及阿贝系数均有所提高。本研究对于非化学计量MgO·nAl2O3尖晶石陶瓷以及其它具有水解问题陶瓷体系的抗水化处理提出了一个新的思路。此外,基于凝胶注模胶态成型及热等静压烧结的透明陶瓷制备工艺获得了MgO·1.8Al2O3尖晶石透明陶瓷,为应用打下基础;相关结果补充了新型MgO·1.8Al2O3尖晶石透明陶瓷的性能数据。
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