低溫液相燒結(jié)四方相多晶氧化鋯增韌陶瓷的制備研究

《低溫液相燒結(jié)四方相多晶氧化鋯增韌陶瓷的制備研究是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所材料學(xué)博士論文，作者是秦海霞。

副題名

外文題名

Fabrication and properties of tetragonal zirconia polycrystals liquid phase sintered at low temperature

論文作者

秦海霞著

導(dǎo)師

黃校先,張玉峰研究員指導(dǎo)

學(xué)科專業(yè)

材料學(xué)

學(xué)位級(jí)別

d 2001n

學(xué)位授予單位

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

學(xué)位授予時(shí)間

2001

關(guān)鍵詞

氧化鋯增韌陶瓷 液相燒結(jié) 助燒結(jié)劑 陶瓷

館藏號(hào)

TQ174

唯一標(biāo)識(shí)符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.012002667811

館藏目錄

2001\TQ174\79

氧化鋯相變增韌陶瓷是材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），無機(jī)非金屬材料（二級(jí)學(xué)科），陶瓷（三級(jí)學(xué)科），先進(jìn)陶瓷（四級(jí)學(xué)科）。

中文名稱

氧化鋯相變增韌陶瓷

英文名稱

zirconia phase transformation toughened ceramics，ZTC

定　　義

在陶瓷基體中加入一定量的亞穩(wěn)四方氧化鋯，利用氧化鋯發(fā)生馬氏體相變時(shí)伴隨著體積和形狀的變化，能量的吸收，減緩裂紋尖端應(yīng)力集中，阻止裂紋擴(kuò)展，提高陶瓷韌性達(dá)到增韌效果的陶瓷材料。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），無機(jī)非金屬材料（二級(jí)學(xué)科），陶瓷（三級(jí)學(xué)科），先進(jìn)陶瓷（四級(jí)學(xué)科）

氧化鋯是一種特殊的材料，增韌的方法，主要是利用氧化鋯的相變才能達(dá)到的！

純凈的氧化鋯是白色固體，含有雜質(zhì)時(shí)會(huì)顯現(xiàn)灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點(diǎn)為2715℃。通常含有少量的氧化鉿，難以分離，但是對氧化鋯的性能沒有明顯的影響。氧化鋯有三種晶體形態(tài)：單斜、四方、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，加熱到更高溫度?huì)轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時(shí)候又會(huì)向相反的方向發(fā)生較大的體積變化，容易造成產(chǎn)品的開裂，限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。但是添加穩(wěn)定劑以后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，因此在加熱以后不會(huì)發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。市場上用來做穩(wěn)定劑的原料主要是氧化釔。

一、氧化鋯增韌

對氧化鋁陶瓷的增韌是使用最多的增韌方法是ZrO2（VK-R30）增韌。當(dāng)氧化鋁中加入純Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韌氧化鋁陶瓷時(shí)，當(dāng)添加含量適當(dāng)時(shí)，可使韌性顯著提高。其韌化效果主要來源于以下機(jī)理：1.使氧化鋁晶?；w細(xì)化。2. 氧化鋯相變韌化。3.顯微裂紋韌化。4. 裂紋轉(zhuǎn)向與分叉。

商用高純氧化鋁陶瓷與ZrO2（VK-R30）增韌氧化鋁陶瓷力學(xué)性能對比

99%氧化鋁陶瓷 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折強(qiáng)度 350MPa 480MPa

抗壓強(qiáng)度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗沖擊強(qiáng)度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶須、纖維增韌

晶須是具有一定長徑比(直徑0.1—1.8 um，長35-l50um)，且缺陷少的陶瓷單晶。具有很高的強(qiáng)度，是一種非常好的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體；纖維長度較陶瓷晶須長數(shù)倍，也是一種很好的陶瓷增韌體，同時(shí)兩者可復(fù)合實(shí)用。用SiC、Si3N4等晶須或C、SiC等長纖維對氧化鋁陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌。晶須或纖維的加入可以增加斷裂表面，即增加了裂紋的擴(kuò)展通道。當(dāng)裂紋擴(kuò)展的剩余能量滲入到纖維(晶須)，發(fā)生纖維(晶須)的拔出、脫粘和斷裂時(shí)，導(dǎo)致斷裂能被消耗或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)等，從而使復(fù)合材料韌性得到提高。但當(dāng)晶須、纖維含量較高時(shí)，由于其拱橋效應(yīng)而使致密化變得困難，從而引起密度的下降和性能下降。

三、顆粒增韌

在氧化鋁材料中加入一定粒度的具有高彈性模量的顆粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料斷裂時(shí)促使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，消耗斷裂能，從而提高韌性。盡管顆粒增韌效果不如晶須、纖維，但用顆粒作為增韌劑制作顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料混合均勻化及燒結(jié)致密化都比纖維、品須復(fù)合材料簡便易行。納米顆粒復(fù)相陶瓷是在陶瓷基體中引入納米級(jí)的第二相增強(qiáng)粒子，通常小于0.3um，可使材料的室溫和高溫性能大幅度提高，特別是強(qiáng)度值，上升幅度更大。

四、 氧化鋁自增韌

采用納米級(jí)的氧化鋁粉末制備的陶瓷不加增塑劑仍舊在低溫下顯出極好的超塑性。納米原料對改善陶瓷晶粒的形狀、品界特性等起到了很好的效果。通過合理選擇成分及工藝，使一部分氧化鋁晶粒在燒結(jié)中原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶粒，從而獲得晶須的一種增韌機(jī)制。這也稱為原位增韌，這種技術(shù)消除了基體相與增強(qiáng)相界面的不相容性，保證了基體相與增強(qiáng)。

相的熱力學(xué)穩(wěn)定，并使界面干凈，結(jié)合良好。

另外，控制顯微結(jié)構(gòu)；改變晶粒形狀、粒徑、品界特性、氣孔率等提高其斷裂韌性；使用亞微細(xì)且各向分布均勻氧化鋁；提高氧化鋁粉純度，改善組織結(jié)構(gòu)。這些都是增加氧化鋁陶瓷韌性的有效手段。