采用稀土和其它氧化物复合添加剂大幅度提高高铝工业陶瓷耐磨性机理研究

含量为95-99wt%的氧化铝陶瓷在诸多领域有着重要应用，提高其性能是该领域的重要发展方向。我们发现：掺入少量稀土氧化物，可大幅度降低烧成温度，其磨损率仅为国外同类产品的1/450，耐磨性之优，未见报道，但缺少机理研究。本项目通过稀土、含碱土和硅的氧化物添加剂的组分优化、粉体分散、高温相组成与结晶化学现象调控，研究添加剂对耐磨性的影响规律、表面活性剂影响原料分散均匀性的因素及物理化学问题；研究高温烧结过程，稀土等添加物在氧化铝晶粒表面的固溶及生成晶界相和固溶体的规律特点与表征、控制原理与方法及对相组成、显微结构的影响，为研究和开发更优异耐磨性能的高铝陶瓷打下理论基础。

含量为95-99wt%的氧化铝陶瓷在诸多领域有着重要应用，提高其性能是该领域的重要发展方向。本项目研究了稀土、含碱土和硅的氧化物复合添加剂对高铝工业陶瓷耐磨性的影响规律及相关机理。发现在对氧化铝陶瓷耐磨性能的影响方面可将16种稀土（Pm除外）分为三类：添加少量、微量可提高耐磨性能的和添加后降低耐磨性能的。相关机理如下：一类稀土氧化物在烧结过程中可以抑制晶粒长大，起到细化晶粒、改善显微结构、提高致密度的作用。同时，我们还发现了一系列碱土金属离子与铝酸稀土化合物以及稀土离子与铝酸钙形成的新的固溶体，如：Ce0.9(Al11Mg0.1)O17.95，(Ce0.9Ca0.1)Al11O17.95等。其中，有7个化合物已被德国FIZ Karlsruhe-Leibniz研究所的无机晶体结构数据库收录，有2个已经被美国粉末衍射中心（ICDD）收录。弄清楚了这些固溶体在陶瓷中起到了净化晶界，提高晶界结合力，促进玻璃相向结晶态物质转变，使得晶界处更倾向形成压力的作用，进而提高了陶瓷的耐磨性能；一类稀土氧化物的添加会大幅度提高烧结温度，但当微量（≤0.01%）添加时对氧化铝陶瓷的烧结温度影响不大，避免了由高温造成的晶粒异常长大对陶瓷性能带来的不利影响，同时还能起到细化晶粒的作用；而另一类稀土氧化物由于烧结过程中生成的稀土铝酸盐的热膨胀系数与氧化铝差异较大，冷却过程中晶粒间出现裂纹，导致结合不紧密，造成耐磨性能变差。关于氧化铝含量对耐磨性能影响的研究发现：含量为95-99wt%的氧化铝陶瓷均可制备出耐磨性能优良的产品。本项目把工业氧化铝研磨介质的耐磨性能做到了超过国外同类产品500多倍的水平(见附件1)，对中国工业氧化铝陶瓷低成本高质量的制备具有重要意义，推进了我国氧化铝陶瓷向高档方向发展，为研究和开发更优异耐磨性能的高铝陶瓷打下理论基础。此外，项目对片状氧化铝的研究有助于开发硅晶片精磨用新型磨料。