氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)件(jian)優(you)異的性(xing)能得(de)到廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)

氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)因(yin)具(ju)有(you)耐(nai)高溫(wen)、耐(nai)腐蝕(shi)、耐(nai)磨損等(deng)優(you)良的性(xing)能，被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)各個領域(yu)中。常(chang)壓下(xia)純氧(yang)化(hua)鋯(gao)有(you)三種晶型(xing)，由於(yu)晶型(xing)轉(zhuan)變產生體積(ji)變化(hua)，造成開裂。加(jia)入適量(liang)穩(wen)定(ding)劑，使(shi)氧(yang)化(hua)鋯(gao)從高(gao)溫(wen)冷卻至室溫過程(cheng)中盡可能多的保(bao)留(liu)四(si)方(fang)相，控(kong)制(zhi)並(bing)提(ti)高對(dui)增韌有(you)貢獻(xian)的四(si)方(fang)到單(dan)斜相的有(you)效轉(zhuan)變。

氧(yang)化(hua)釔(yi)穩定(ding)氧(yang)化(hua)鋯(gao)由於(yu)其(qi)綜合性(xing)能最(zui)好，成為應用(yong)最為廣(guang)泛(fan)的氧(yang)化(hua)鋯(gao)材料。有(you)研究表(biao)明，Y₂O₃含量在2.5mol%時(shi)抗(kang)彎(wan)強度(du)最高(gao)；在2mol%時斷裂韌性(xing)最(zui)大(da)。本(ben)文(wen)主(zhu)要以(yi)Y₂O₃含量在2~2.5mol%的氧(yang)化(hua)釔(yi)穩定(ding)氧(yang)化(hua)鋯(gao)為原(yuan)料，制(zhi)備出綜合性(xing)能較高的氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)，並(bing)探(tan)討(tao)成(cheng)型(xing)和燒(shao)結工藝(yi)對(dui)氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)性(xing)能的影(ying)響(xiang)，從(cong)而為生產(chan)提(ti)供理(li)論(lun)依據，進而生產(chan)出高性(xing)能的氧(yang)化(hua)鋯(gao)結構(gou)陶(tao)瓷(ci)。

實(shi)驗：

將氧(yang)氯(lv)化(hua)鋯(gao)、硝酸釔(yi)、硝酸鋁(lv)按比(bi)例(li)配(pei)置成(cheng)溶(rong)液(ye)，氨(an)水(shui)為沈澱(dian)劑(ji)，采用共(gong)沈(chen)澱(dian)法(fa)制(zhi)備出釔(yi)穩定(ding)氧(yang)化(hua)鋯(gao)粉(fen)體，加(jia)入壹(yi)定(ding)比例(li)的PVA，水(shui)為介質，濕(shi)法球(qiu)磨(mo)，烘(hong)幹(gan)、造粒，得到可成型(xing)的釔(yi)穩定(ding)氧(yang)化(hua)鋯(gao)粉(fen)(Y-ZrO₂)。在(zai)8.3MPa壓力下(xia)幹(gan)壓，然後在(zai)不(bu)同壓力下(xia)冷等(deng)靜壓成型(xing)，將制(zhi)得(de)的生坯(pi)在(zai)不同溫(wen)度(du)下(xia)燒結，並(bing)保溫不同時(shi)間(jian)，研究等(deng)靜壓壓力、燒結溫(wen)度(du)、保溫(wen)時間(jian)對陶(tao)瓷(ci)密(mi)度(du)、抗彎(wan)強度(du)、硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)的影(ying)響(xiang)。具(ju)體試(shi)樣編(bian)號(hao)如(ru)表(biao)1所(suo)示。

用(yong)固(gu)體密(mi)度(du)計測(ce)試試樣的體積(ji)密(mi)度(du)；用抗(kang)壓抗折試驗機，采用三(san)點彎曲法(fa)測(ce)試試(shi)樣的抗(kang)彎(wan)強度(du)；用維(wei)氏硬(ying)度(du)計，加(jia)載(zai)載(zai)荷(he)196N，保(bao)壓時間(jian)為30s，測試(shi)試樣的硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)。

實(shi)驗結果(guo)：

等(deng)靜壓壓力對陶(tao)瓷(ci)性(xing)能的影(ying)響(xiang)

相(xiang)對密(mi)度(du)是(shi)衡量(liang)陶(tao)瓷(ci)材料燒(shao)結(jie)程(cheng)度(du)的壹(yi)種表(biao)征手段(duan)，相對密度(du)越(yue)大，說明材料的體積(ji)密(mi)度(du)越(yue)接近理(li)論(lun)密(mi)度(du)；相反(fan)，相對(dui)密度(du)越(yue)小(xiao)，材料的體積(ji)密(mi)度(du)越(yue)小(xiao)，材料中氣(qi)孔(kong)等(deng)缺(que)陷越(yue)多。不同等(deng)靜壓壓力對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)密(mi)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)1所示。

其中Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)的理(li)論(lun)密(mi)度(du)取6.10g/cm³計(ji)算。由(you)圖(tu)1可知(zhi)，等(deng)靜壓壓力為50MPa時，相(xiang)對密(mi)度(du)達到99.1%，隨等(deng)靜壓壓力的增(zeng)大(da)，相對(dui)密度(du)增大(da)，100MPa後趨於(yu)穩(wen)定，達到99.8%以(yi)上。冷等(deng)靜壓可以(yi)提(ti)高坯(pi)體的致(zhi)密(mi)性(xing)和(he)均勻性(xing)，但(dan)達(da)到壹(yi)定(ding)壓力後，可流動(dong)的顆(ke)粒(li)減(jian)少，孔(kong)隙(xi)較少，繼(ji)續增(zeng)大(da)壓力意義不(bu)大(da)。

氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)的抗(kang)彎(wan)強度(du)主要與(yu)材料的致(zhi)密(mi)度(du)有(you)關，兩者(zhe)大(da)致符(fu)合指數(shu)關系(xi)，即(ji)σ=σ₀exp(-bp)(p為氣(qi)孔(kong)率(lv)；σ為氣(qi)孔(kong)率(lv)為p時的強(qiang)度(du)；σ₀為氣(qi)孔(kong)率(lv)為0時的強(qiang)度(du)；b為常數(shu)）。材料密(mi)度(du)增大(da)，孔(kong)隙(xi)率(lv)減小(xiao)，抗(kang)彎(wan)強(qiang)度(du)增大(da)。不同等(deng)靜壓壓力對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)抗(kang)彎強(qiang)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)2所示。

由圖(tu)2可知(zhi)，隨等(deng)靜壓壓力的增(zeng)大(da)，Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)的抗(kang)彎(wan)強度(du)增大(da)，等(deng)靜壓壓力100MPa以(yi)後(hou)抗彎強度(du)均達(da)到1000MPa以(yi)上，這與圖(tu)1結果是(shi)相吻合的。

不(bu)同等(deng)靜壓壓力對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)3所示。

由圖(tu)3可知(zhi)，隨等(deng)靜壓壓力的增(zeng)大(da)，Y-ZrO₂硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)變化(hua)不(bu)大，硬(ying)度(du)達到12GPa以(yi)上，斷裂韌性(xing)達(da)到14.5MPa.m^1/2以(yi)上。綜合考慮，等(deng)靜壓壓力為100MPa以(yi)上時Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)的綜(zong)合性(xing)能優(you)良，在(zai)200MPa時(shi)最(zui)佳。

燒結溫度(du)對陶(tao)瓷(ci)性(xing)能的影(ying)響(xiang)

燒(shao)結溫(wen)度(du)的高(gao)低(di)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)顆(ke)粒(li)尺(chi)寸、致(zhi)密(mi)性(xing)等(deng)，其(qi)對陶(tao)瓷(ci)致(zhi)密性(xing)的影(ying)響(xiang)用(yong)陶(tao)瓷(ci)試(shi)樣的相(xiang)對(dui)密度(du)變化(hua)表(biao)示(shi)。燒結(jie)溫度(du)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)密(mi)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)4所示。

由圖(tu)4可知(zhi)，1300℃燒結(jie)後，相(xiang)對密度(du)偏(pian)低(di)，低(di)於(yu)98%。隨(sui)著燒結溫(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)，相對(dui)密度(du)增大(da)，1350℃後達到99.5%以(yi)上，並且在1450℃時達(da)到了100%的完全(quan)致密(mi)。但(dan)燒(shao)結溫度(du)在1450℃以(yi)後(hou)，相對密度(du)有(you)所下(xia)降，這是(shi)因為少量(liang)單(dan)斜相的出現以(yi)及氧(yang)化(hua)鋯(gao)晶粒尺(chi)寸的異常增(zeng)大導致(zhi)的。

燒(shao)結(jie)溫度(du)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)抗(kang)彎強(qiang)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)5所示。

由圖(tu)5可知(zhi)，氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)抗(kang)彎強(qiang)度(du)的變化(hua)規(gui)律與相(xiang)對(dui)密度(du)相同。在(zai) 1300℃燒結時(shi)，顆(ke)粒(li)未(wei)充(chong)分接觸(chu)，粘(zhan)結(jie)強度(du)不夠(gou)，導致(zhi)材料的抗(kang)彎(wan)強度(du)偏(pian)低(di)；隨(sui)著燒結溫(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)，顆(ke)粒(li)進壹(yi)步擴(kuo)大(da)移(yi)動(dong)，充分接觸(chu)，氣(qi)孔(kong)減(jian)少，材料的抗(kang)彎(wan)強度(du)增強(qiang)，在1450℃時達到最大(da)值(zhi)。但進壹(yi)步升(sheng)高溫(wen)度(du)，由於(yu)材料的相(xiang)對(dui)密度(du)有(you)所下(xia)降，導致(zhi)氣(qi)孔(kong)增(zeng)多，材料的有(you)效承載(zai)面積減小(xiao)，抗(kang)彎(wan)強(qiang)度(du)下(xia)降。

燒結(jie)溫(wen)度(du)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)6所示。

由圖(tu)6可知(zhi)，在1300℃燒(shao)結時(shi)，氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)的硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)均偏(pian)低(di)。隨(sui)著燒結溫(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)，1350℃以(yi)後(hou)，材料的硬(ying)度(du)變化(hua)趨於(yu)平(ping)穩，達到 12GPa以(yi)上。斷裂韌性(xing)隨(sui)著燒結溫(wen)度(du)的

升(sheng)高(gao)而增(zeng)大，在1450℃達到最大(da)為15.4 MPa.m^1/2，隨後(hou)有(you)所下(xia)降。綜合考慮，Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)的綜(zong)合性(xing)能在(zai)1450℃燒結(jie)時(shi)最(zui)佳。

保溫時間(jian)對陶(tao)瓷(ci)性(xing)能的影(ying)響(xiang)

保(bao)溫時(shi)間(jian)短，陶(tao)瓷(ci)晶界(jie)不能充(chong)分的擴(kuo)散(san)以(yi)及晶粒來(lai)不及再(zai)結晶，導致(zhi)陶(tao)瓷(ci)的性(xing)能偏(pian)低(di)；但(dan)是(shi)保溫(wen)時間(jian)過長(chang)，晶粒異常長(chang)大或者(zhe)二(er)次(ci)重(zhong)結(jie)晶，同樣不(bu)利於(yu)陶(tao)瓷(ci)產(chan)品的性(xing)能。因(yin)此適當(dang)的保(bao)溫(wen)時間(jian)對陶(tao)瓷(ci)產(chan)品的性(xing)能也(ye)是(shi)至關重(zhong)要的。保(bao)溫(wen)時間(jian)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)相(xiang)對密(mi)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)7所示。

由圖(tu)7可知(zhi)，保溫(wen)時間(jian)較短時(shi)，陶(tao)瓷(ci)相(xiang)對密(mi)度(du)低(di)於(yu)98%，隨(sui)著保溫時(shi)間(jian)的延(yan)長(chang)，相對(dui)密度(du)先增(zeng)大後略有(you)下(xia)降。這是(shi)因為保溫(wen)時間(jian)短，顆(ke)粒(li)間(jian)擴(kuo)散(san)時間(jian)不夠(gou)，使(shi)得氣(qi)孔(kong)不(bu)能完全(quan)排出而留(liu)在(zai)晶粒間(jian)，導致(zhi)陶(tao)瓷(ci)致(zhi)密度(du)不夠(gou)；保溫時間(jian)延長(chang)，氣(qi)孔(kong)減(jian)少，陶(tao)瓷(ci)致(zhi)密度(du)增加(jia)；但保(bao)溫時(shi)間(jian)過長(chang)，晶粒異常長(chang)大，晶粒生長(chang)引(yin)起臨(lin)近氣(qi)孔(kong)聚(ju)集，導致(zhi)陶(tao)瓷(ci)相(xiang)對密(mi)度(du)有(you)所下(xia)降。

保溫(wen)時(shi)間(jian)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)抗(kang)彎強(qiang)度(du)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)8所示。

由圖(tu)8可知(zhi)，隨著保溫時(shi)間(jian)的延(yan)長(chang)，氣(qi)孔(kong)減(jian)少，氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)的抗(kang)彎(wan)強度(du)增大(da)，在1.5h-2h達到最大(da)；此時陶(tao)瓷(ci)達(da)到致密(mi)化(hua)，繼(ji)續延(yan)長(chang)保溫(wen)時間(jian)，晶粒長(chang)大，由Hall-petch公式(shi)可知(zhi)，抗彎(wan)強度(du)與晶粒大(da)小(xiao)成(cheng)反(fan)比關系(xi)，因(yin)此2h後抗彎強(qiang)度(du)下(xia)降。

保溫(wen)時(shi)間(jian)對Y-ZrO₂陶(tao)瓷(ci)硬(ying)度(du)和斷(duan)裂韌性(xing)的影(ying)響(xiang)如(ru)圖(tu)9所示。

由圖(tu)9可知(zhi)，隨保(bao)溫時(shi)間(jian)的延(yan)長(chang)，氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)硬(ying)度(du)變化(hua)不(bu)大，達到 12GPa以(yi)上。斷裂韌性(xing)基(ji)本是(shi)先減(jian)小(xiao)後(hou)增(zeng)大(da)，這與陶(tao)瓷(ci)抗(kang)彎強(qiang)度(du)變化(hua)壹(yi)致(zhi)。因為壹(yi)般(ban)來(lai)說，斷(duan)裂韌性(xing)是(shi)隨著抗彎強(qiang)度(du)的增(zeng)強(qiang)而減(jian)小(xiao)的

氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)件(jian)在(zai)結(jie)構(gou)陶(tao)瓷(ci)方(fang)面，由(you)於(yu)氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)件(jian)具(ju)有(you)高韌(ren)性(xing)、高(gao)抗(kang)彎(wan)強度(du)和高(gao)耐(nai)磨性(xing)，優(you)異的隔(ge)熱(re)性(xing)能，熱(re)膨(peng)脹(zhang)系(xi)數(shu)接近於(yu)鋼等(deng)優(you)點，因此氧(yang)化(hua)鋯(gao)陶(tao)瓷(ci)件(jian)被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)結(jie)構(gou)陶(tao)瓷(ci)領域(yu)。主(zhu)要有(you):Y-TZP磨球(qiu)、分散(san)和研磨(mo)介(jie)質、噴(pen)嘴、球(qiu)閥球(qiu)座(zuo)、氧(yang)化(hua)鋯(gao)模(mo)具(ju)、微(wei)型(xing)風扇(shan)軸(zhou)心、光纖插針、光纖套(tao)筒(tong)、拉(la)絲(si)模(mo)和(he)切割工具(ju)、耐(nai)磨刀(dao)具(ju)、表(biao)殼(ke)及表(biao)帶(dai)、高爾(er)夫(fu)球(qiu)的輕型(xing)擊(ji)球(qiu)棒(bang)及其它室溫耐(nai)磨零器(qi)件(jian)等(deng)。