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氧化锆增韧氧化铝陶瓷

作者: 时间:2022-12-05 分类:行业新闻
Leriche等人(1986)对比研究了3Y-TZPAl0的无压烧结和热压烧结结果表明热压烧结可达到完全致密化并且可获得细晶粒的显微结构特别是AlO晶粒尺寸明显减小图6-83(a)(b)分别表示45%(wt)3Y-TZPAl0的无压烧结和热压烧结的显微结构ZTA中AlO和Zr晶粒尺寸在热压和无压烧结条件下随ZrO中YO含量的变化如

1、 氧化错增韧氧化铝陶瓷简述

氧化铝陶瓷硬度高,弹性模量大,具有优异的化学稳定性和高温性能,但其断裂韧性比较低,一般为3 MPa·m1/2,因此表现出较大的脆性。通过添加第二相颗粒或晶须进行 Al2O3增韧补强得到普遍关注,而在 Al2O3中引 ZrO2被认为是改善  Al2O3陶瓷断裂性和强度的最有效方法。

ZrO2 最早引人  Al2O3中,是作为一种促进  Al2O3陶瓷致密化的烧结助剂,微量 ZrO2(0.1%~0.2%)的引入通过点阵缺陷形成固溶体可促进致密化过程,显微结构上仍然为 Al2O3单相陶瓷。但氧化错增韧氧化铝(ZTA)材料显微结构则完全不同,表现为两个明显的相,即 Zr 和AlO 相。从ZrO2-Al2O3系统的相图(见图6-79)可知:即使在很高的温度下,Zr0与 Al2O3 之间都不会生成固体。无论在 AO中添加ZrO2还是在ZrO2中添加 Al2O3,只能形成 ZrO2-Al2O3系两相陶瓷复合材料。近 20 年来,ZTA 陶瓷体系得到广泛研究和应用。研究包括 ZTA 陶瓷的制备技术不同特性 ZrO2颗粒对 Al0的增和强化机制ZTA 陶瓷的显微结构及力学性能等。事实上,ZrO引人不但可显著提高 Al2O3。的断裂韧性,同时也大大提高其断裂强度,即可同时达到增韧与补强作用。目前,已报道的 ZTA 陶瓷的断裂韧性最高可达17 MPa·m2,抗弯强度最高可达2.4 GPa.

2、氧化错增韧氧化铝陶瓷粉体的制备

常用的方法是直接将 ZrO2Al2O3粉体进行混合,为达到高度分散和避免ZrO2团聚,通常采用湿法球磨或强力搅拌磨分散。可通过调整 pH 值、添加分散剂、超声辅助分散来增加粉体的均匀性。Deliso 等人(1988)通过在 ZrO2/Al2O3悬浮体中引入聚丙烯酸盐(NHPAA)分散剂,将ZrO2Al2O3的等电点移至较低 pH值,从而在近中性(如 pH=8.5)的范围使ZrO2/Al2O3达到完全分散,由该悬浮体制得ZrO2/Al2O3粉末烧结后具有均匀的显微结构。ZrO2 /Al2O3复合粉体也可通过化学合成方法直接获得,包括溶胶-凝胶法、共沉淀法醇盐水解法等。溶胶-凝胶法是将浓度高的金属氧化物或氢氧化物的溶胶变为凝胶,干燥烧得到氧化物粉末,如图 6-80 所示。当各组分(例如硝酸铝、氢氧化错、醋酸钻)以溶胶形式混合时,在烧后可以使ZrO2在 Al2O3中达到良好的分散共沉淀法是在混合金属溶液中加沉淀剂,得到各成分均匀混合的沉淀,然后将沉淀热分解即可得到ZrO2/Al2O3粉体,其工艺流程见图 6-81。于庆华等人(2006)以 NHA(S12H;O_ZrOCl2·8HO,Y(NO)为母盐用 NHHCO作沉淀剂,控制滴定速度小于5 mL/min,采用沉淀法制备纳米3Y-ZrO2/Al2O3前驱体,在1000C烧得到分散良好平均粒径为 10nm 的两相分布均的纳米复合粉体,该粉体试样在 1550C,3h烧结得到致密度达98.6%的ZTA复合陶瓷。若将液相共沉淀法与非均匀成核法相结合可制备 ZrO2(3Y)包 AO纳复合粉体(林洁,2007)。其过程是将一定量的 Al2O3粉和分散剂(聚丙烯酸盐)加入制备好的NHOH和NHCI缓冲液中配成悬浮溶液再将配制好的 ZrO2和 Al2O3 的混合缓滴加到上述 Al2O3悬浮溶液中,同时搅拌。滴加完成后将沉淀物干燥得到前驱体,再在一定温度(如1000C)进行烧,然后经湿法球磨烘干得到 Zr(3Y)包Al2O3的纳米复合粉体。图6-82(a)为锻烧后的纳米复合粉体,图(b)为20%(wt)ZrO2/Al2O3于1650C,2h常压烧结后试样断口的显微结构,白色颗粒为 ZrO2,可见分散比较均匀。

3、氧化错增韧氧化铝陶瓷烧结工艺

ZTA的烧结有无压烧结、热压烧结和热等静压烧结。对于高ZrO2/Al2O3烧结一为固相烧结,烧结温度较高,且由于 Al2O3ZrO2的烧结收缩率不同以及粉体中可能存在团聚体,因此2TA 陶瓷纯固相烧结时可能形成非均的差分烧结。一些研究发现,在ZTA 中加入少量 MgO2对其烧结和显微结构的控制很有作用。实验结果表明:D当加人1000X10-的Mg0时,ZTA 陶瓷可以获得最高密度,这与在 Al2O3中加入MgO的作用类似;@最佳加人量与 ZTA 中 ZrO2 加人量无关;3加入的 MgO会优先溶于Al2O3,中,然后生成尖晶石,最后才会发生明显的 MgO 溶于ZrO2中的现象。等人(1988)向ZTA中引人 TiO,发现 TiO:会提高初始烧结速率及增大Al2O3晶粒尺寸

烧结过程中,ZTA 中的 ZrO2粒子将抑制基体 Al2O3晶粒长大和烧结致密化过程。从传质观点上来看,在晶粒长大过程中,ZrO2粒子有足够的自扩散能量,可以与晶界交叉点-起移动,这样粒子对交叉点施加一个拖拽力,阻碍Al2O3基体的晶粒长大。当ZrO2 粒子分布不能有效均匀地阻碍每一个Al2O3晶粒长大时,将发生晶粒的异常长大热压烧结可使 ZTA 高度致密化。与无压烧结相比,热压烧结的优点之一是可以避免差分烧结,这有利于显微结构的控制和力学性能的提高。但另一方面,热压烧结中的外加压力可以导致基体中产生残余应力,从而影响ZrO2晶粒的四方到单斜的相变,降低了 ZTA材料性能的各向同性。

ZTA的热压烧结通常采用石墨模具,热压ZTA的颜色随ZrO2体积分数增大从浅灰变化到黑色;试样中同样存在颜色的梯度,外面色黑,中心色灰。颜色的形成是由于ZTA在石墨模具和还原性气氛中烧结时因缺氧,ZrO晶粒中产生氧空位所致,但试样在1200~1400的空气中或氧气气氛中热处理 20~30 h后可恢复白色。Leriche等人对比研究了3Y-TZP/Al0的无压烧结和热压烧结,结果表明热压烧结可达到完全致密化,并且可获得细晶粒的显微结构,特别是Al2O3晶粒尺寸明显减小图6-83(a)(b)分别表示 45%(wt)3Y-TZP/Al0的无压烧结和热压烧结的显微结构ZTA中Al2O3和Zr晶粒尺寸在热压和无压烧结条件下随 ZrO中YO含量的变化如

热等静压烧结 ZTA 陶瓷最大的优点是可以获得更细小的晶粒尺寸,显著减小缺陷尺寸(~10um),而无压或常压烧结 ZTA 陶瓷中缺陷尺寸为50~500 m;因此材料的室温和高温抗弯强度均有明显提高。报道了热等静压可以提高复合ZrO2的ZTA的断裂韧性。与热压烧结工艺相比,热等静压烧结的 ZTA 陶瓷显微结构具有更好的各向同性和均勾性.