注射成型(MgCoNiCuZn)O高熵陶瓷的微观组织与性能.docx

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1、注射成型(MgCoNiCUZn)O高端陶瓷的微观组织与性能前言：(MgCoNiCuZn)O高燧陶瓷又称燧稳定氧化物。该材料的五种氧化物前驱体 在晶体构型、阳离子配位数以及阳离子电负性方面不完全相同，其中：MgO-ZnO 和CuO-NiO等二元系统并不能形成完全固溶体。在该种材料中，氧原子占据 一套面心立方晶格点阵，五种金属原子随机分布于面心立方结构的八面体间隙形 成岩盐结构。高构型烯和高嫡效应由于会产生超大介电常数，优异的锂离子导电性、磁性 能以及催化性能等功能特性，因而(MgCoNieUZn)O高嫡陶瓷受到广大研究者青 睐。目前，该材料的制备工艺主要包括固相合成法、雾化喷雾热解法、火焰喷雾

2、热解法、共沉淀法、低温燃烧合成法、闪烧合成法等。在许多先进陶瓷成型方法中，注射成型技术由于具有可批量生产小尺寸、高 精度、复杂形状零部件且成本低等优势而倍受关注。该技术主要包括喂料制备、注射成型、脱脂以及烧结四个工艺过程。喂料主 要包含有机粘结剂和陶瓷粉末，有机粘结剂主要由润滑剂、骨架粘结剂以及表面 活性剂三部分组成。有机粘结剂可以充分保证喂料的流动性、成型性能，并能够 在脱脂过程中从坯体中充分脱除出去。注射成型技术已经成功应用于多种材料的合成制备，主要包括AI2O3、ZrO2、 CaO Co2、MgAI2O4、SiC、AIN、Si3N4 ZrB2等。高端陶瓷构件具有优良力学性能和功能特性，但

3、尚未有关于高埔陶瓷材料注 射成型方面的研究。因此，本研究以多主元的(MgCONiCUZn)O为研究对象，通 过注射成型工艺制备高端陶瓷。1实验以上海水田科技有限公司生产的Mgo(纯度99.9%,粒径2.5 pm)、Coo(纯 度 99.9%,粒径 1.0m)NiO(纯度 99.9%,粒径 1.0 pm)、CUo(纯度 99.9%,粒径1.0m)和ZnO(纯度99.9%,粒径1.0 m)为原料制备(MgCoNiCUZn)O 高端陶瓷。注射成型制备工艺如图1所示。图1注射成型制备(MgCONiCUZn)O高嫡陶瓷工艺流程在球磨混合阶段，以无水乙醇为球磨介质，五种等摩尔比的氧化物粉末和 少量的硬脂酸

4、(SA)在行星球磨机(QM-3SP4)中进行球磨混合试验,研磨球和球 磨罐均为AI2O3材质，球磨机转速为300 rmi-球磨时间为6 h0球磨完成 后将混合浆料于40 C恒温干燥箱中充分干燥并研磨破碎。图2球磨混合粉末SEM形貌将干燥粉末(SEM形貌如图2所示)和有机粘结剂(聚乙烯(PE)、聚丙烯 (PP).石蜡(PW)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP),粘结剂配比见表1)按照50%的固 含量在密炼机(KY-3220A-1L)中进行喂料制备试验，试验温度为170 、密炼 机转速为40 rmin 时间为45 min。表1粘结剂的物理性能Tab. I Physical properties of th

5、e binders l2,ComponentContents (wt.%)Density (g em ,)Decomposition temperature (0C)Paraffin Wax (PW)560.90180-320Dibutyl Phthalate (DBP)51.05100-150Polypropylene (PP)80.91350-470Polyethylene (PE)260.9542(M80Stcaric acid (SA)50.94263-306然后，喂料置于注射成型设备(V35-CIM)中进行注射成型试验，注射温度 和压力分别为180 C和110 MPa,生坯尺寸为5

6、mm 6 mm42 mro采用 溶剂脱脂及热脱脂的两步脱脂工艺脱除注射生坯中的有机粘结剂。将浸泡于煤油 中的生坯水浴加热到55 C进行8h的煤油脱脂试验，溶剂脱脂完成并干燥后 转移到小型真空脱脂炉(QH-12-11)中进行热脱脂试验，脱脂温度为500 C、时 间为2h,加热和降温速率均为1.5 0Cmin-1,以避免脱脂缺陷。最后，热脱 脂完成试样在管式炉(GSL-1500X-0TF)中进行烧结试验，烧结温度分别为 900 、1000 和1050 ,烧结时间分别为6h、10 h和18 h,升温速 率为10 0Cmi-1o后进行表征测试。2结果与讨论2.1 热分析结果图3为球磨粉末、注射生坯和溶

7、剂脱脂材料的热分析曲线。100%9288 (E)-PM(b)78Iumsmoips=uu.%.* ;5 8*SAC9QTemperature (0C)- Mixed powder_ 一 Green part . Solvent Deboundpart一 Mixed powder- Green parta Solvent debound Part(I UnU %3M)益VM sAmrQ(,5:PM93球磨粉末、生颁溯RS蝌脯牖赛:(a)200t500cC的TG和DTG的纥;e)200T500t的DSCtS; (c)600C-900cCTGSDTGS8; (d) 1050eC-1200cCftTG

8、SDTGfig2.2 注射生坯与脱脂坯体表征在注射成型工艺过程中，注射生坯以及脱脂坯体的成型质量显著影响最终烧 结材料的性能，为了避免注射和脱脂缺陷，对注射生坯和脱脂坯体表面和断口形 貌进行表征，如图4所示。图4 SEM形貌：（）生坯表面；（b）生坯表面放大图；（C）生坯断口；（由溶剂脱质坯体表面；（C）溶剂脱脂坯体表面放大图；溶剂脱脂坯断口2.3 微观组织与结构表征图5（a）为烧结材料的XRD图谱。当烧结温度为1050 时，抛光后微观 形貌和EDS元素面分布结果见图5（bh）。(b) IO5OC ICng XlqSUI图5 (a)烧结温度为900七、IOOO。C和105OoC的XRD衍射图谱

9、，105OoC烧结材料；(b)抛光表面SEM形貌及(ch)Mg Cox Ni、Cu、Zn和。元素面分布图表2中EDS Mapping元素定量分析结果与(MgCoNiCUZn)O的理论元素含量较为接近，这进一步证实了高燧材料的形成。表2高烯材料的化学成分Tab. 2 Chemical composition of the high entropy materialsElementsMgCoNiCuZnOTheoretical content (at.%)101010101050EDS Results (at.%)9.2510.1410.911.5210.6547.54XRD和元素EDS分布结果都

10、表明，利用注射成型技术可制备出单相岩盐 结构(MgCC)NiCUZn)O高燧陶瓷。图6(af)为不同烧结时间下材料的微观形貌。图6烧结温度1050。以 不同烧结时间材料表面SEM形貌：(a,b)6h; (c,d)10h; (e,f)18h不同烧结温度下材料的断口形貌如图7(ad)所示。图7不同烧结温度下材料断口形貌：(a)9(X)0C; (b)1000oC; (c.d) 1050oC表3烧结态材料的物理性能Tab. 3 Physical properties of (he sintered compactsSintering Temperature (oC)90010001050Density

11、 (g em 3)5.04995.28895.5821Relative density (%)82.7285.0190.47Fracture strength (MPa)22.2958.1377.983结论(1)通过注射成型工艺可以制备单相岩盐结构(MgCoNiCuZn)O高端陶瓷, 其空间群为Fm-3m (225)。(2)喂料中粘结剂的脱除顺序为：在210 240 C温度范围DBP首 先脱除出去；由于SA和PW具有较高分解温度，其脱除温度达到280 ； 而PE和PP等骨架粘结剂的脱除则需要更高的温度(300 C480 )。(3)当烧结温度为1050 C时，材料的压缩强度和相对密度达到最大值，分别为 77.98 MPa 和 90.47%