硅酸鋯陶瓷的制備與表征

王廣芹,陳常連,季家友,鮑世聰,黃志良

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

硅酸鋯屬于四方晶系，為島狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，硅酸鋯因其具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、優(yōu)良的化學(xué)及相穩(wěn)定性等特點(diǎn)[1-2]，廣泛用于耐火材料和鋯基材料[3-4].鋯英石的燒結(jié)較困難，在高溫下靠固相擴(kuò)散作用，其速度非常緩慢，難于燒結(jié)，常需加入某些氧化物促進(jìn)其燒結(jié)[5].鋯英石在高溫下容易分解[6]，其分解出的ZrO2如不進(jìn)行穩(wěn)定，隨著溫度的變化會(huì)呈現(xiàn)出不同的晶體結(jié)構(gòu)[7-8]，并伴有較大的體積效應(yīng)，造成產(chǎn)品破壞，制約了硅酸鋯材料的高溫使用及應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓寬.1975年R. G. Garvie以氧化鈣為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定氧化鋯，到目前為止，與此相關(guān)的研究已有較多[9-12]，主要是在原料中加入添加劑抑制晶型轉(zhuǎn)變及對(duì)材料進(jìn)行增韌[13]，但是對(duì)其高溫分解及分解出的ZrO2進(jìn)行完全穩(wěn)定缺乏系統(tǒng)性的研究.

本論文利用鋯英石作原料，通過(guò)Y2O3添加量和燒結(jié)溫度的變化，系統(tǒng)地研究了硅酸鋯陶瓷的密度、物相及顯微結(jié)構(gòu)的變化，為提高硅酸鋯陶瓷的高溫應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及配比

實(shí)驗(yàn)原料為硅酸鋯(ZrSiO4，3A，山東辰源超細(xì)粉體有限公司生產(chǎn))和氧化釔(Y2O3,4 N,10 g，國(guó)藥).試樣配比如表1所示.

表1 試樣配比

(硅酸鋯燒失量，取98%)

1.2 樣品制備與表征

按表1配方進(jìn)行配料后進(jìn)行充分研磨并混合均勻，然后稱取一定量的混合料，在769 YP-24 B型粉末壓片機(jī)上壓制成型，成型壓力為90 MPa，坯體直徑為13 mm，然后將坯體置于高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，升溫速率為6 ℃/min，燒結(jié)溫度分別為1 475，1 500，1 525，1 550，1 575 ℃，保溫時(shí)間為2 h，燒結(jié)完畢后樣品隨爐冷卻至室溫.

樣品經(jīng)加工后，采用排水法測(cè)定樣品體積密度，數(shù)顯維氏硬度計(jì)(430 SVD，沃伯特測(cè)試儀器(上海)有限公司)測(cè)定樣品維氏硬度，采用XRD-Rigaku Ultima II型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相組成分析，采用掃描電鏡(JSM-5 610LV, QUANTA400)對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 燒結(jié)溫度和Y2O3添加量對(duì)樣品密度的影響

圖1給出樣品密度隨燒結(jié)溫度的變化情況.由圖可見(jiàn)，樣品的密度整體上隨著燒結(jié)溫度的增加而增加，但增加的幅度較小，其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% Y2O3樣品的密度最低，介于4.2～4.3 g/cm3之間，與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～8 % Y2O3樣品的密度相近，介于4.25～4.3 g/cm3之間，略高于同溫度下燒結(jié)的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% Y2O3樣品的密度.以上分析表明，燒結(jié)溫度和Y2O3添加量的增加對(duì)樣品密度的增加雖有一定程度的影響，但影響的幅度較小.

圖1 燒成溫度對(duì)不同樣品體積密度的影響

2.2 樣品物相分析

2.2.1 燒結(jié)溫度變化對(duì)樣品物相的影響 圖2和圖3分別是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% Y2O3和8% Y2O3的樣品隨燒結(jié)溫度變化的XRD圖譜.由圖可以看出，對(duì)于添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% Y2O3的樣品，樣品的物相由ZrSiO4和穩(wěn)定ZrO2(四方相或立方相)組成，主物相為ZrSiO4；穩(wěn)定ZrO2物相衍射峰強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高變化并不明顯.而對(duì)于添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% Y2O3的樣品，其物相組成同樣為ZrSiO4和穩(wěn)定ZrO2，主要物相為ZrSiO4，其中1 575 ℃燒結(jié)樣品的穩(wěn)定ZrO2的峰強(qiáng)略高于其它兩個(gè)溫度燒結(jié)的樣品.

圖2 在不同溫度下燒成的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% Y2O3樣品的XRD圖

圖3 在不同溫度下燒成的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8% Y2O3樣品的XRD圖

2.2.2 Y2O3添加量變化對(duì)樣品物相的影響 圖4和圖5分別是1 475 ℃和1 575 ℃燒結(jié)樣品的XRD圖譜.由圖中可以明顯看出，所有樣品都由ZrSiO4和穩(wěn)定ZrO2組成，主物相為ZrSiO4；對(duì)于1 475 ℃燒結(jié)的樣品，其穩(wěn)定ZrO2的峰強(qiáng)較弱，而且隨著Y2O3添加量的增加，穩(wěn)定ZrO2的峰強(qiáng)并無(wú)明顯的變化；對(duì)于1 575 ℃燒結(jié)的樣品，其穩(wěn)定ZrO2的峰強(qiáng)隨著Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加有利于促進(jìn)ZrSiO4的分解.

以上分析表明，樣品的物相均由ZrSiO4和穩(wěn)定ZrO2組成，主物相為ZrSiO4；對(duì)于同一配比的樣品，其穩(wěn)定ZrO2的峰強(qiáng)隨著燒結(jié)溫度的增加基本保持不變，對(duì)于同一溫度下燒結(jié)的不同配比的樣品，其ZrO2的峰強(qiáng)隨Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加促進(jìn)了ZrSiO4的分解和穩(wěn)定ZrO2的生成.

圖4 1 475 ℃燒結(jié)樣品的XRD圖譜

圖5 1575 ℃燒結(jié)樣品的XRD圖譜

2.3 樣品顯微結(jié)構(gòu)

圖6是部分燒結(jié)樣品的SEM圖像.

由圖中可以看出，對(duì)于1 475 ℃燒結(jié)的樣品，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% Y2O3和8% Y2O3樣品的結(jié)構(gòu)均較為疏松，包含較多形狀不規(guī)則的氣孔，晶粒平均粒徑約為4 μm，且較為均勻一致，結(jié)合圖1可知，較多氣孔的存在是樣品密度較低的主要因素；而對(duì)于1 575 ℃燒結(jié)的樣品，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% Y2O3和質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% Y2O3樣品的粒徑未見(jiàn)明顯長(zhǎng)大，有較少量的氣孔存在，與前者相比，樣品的致密度有了較大幅度的提高；另外，由圖1可知，1 575 ℃燒結(jié)的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% Y2O3樣品的密度最大，除燒結(jié)溫度較高這一因素外，還與該樣品中較多穩(wěn)定ZrO2的存在有關(guān)，因?yàn)榉€(wěn)定ZrO2的密度明顯高于ZrSiO4材料的密度.氣孔及穩(wěn)定ZrO2的存在，是影響材料密度的重要因素.

(a:1 475 ℃燒結(jié),質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% Y2O3; b:1 475 ℃燒結(jié),質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% Y2O3;c:1 575 ℃燒結(jié),質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% Y2O3; d:1 575 ℃燒結(jié),質(zhì)量分?jǐn)?shù)8% Y2O3)

2.4 燒結(jié)溫度和Y2O3添加量對(duì)樣品維氏硬度的影響

圖7給出樣品維氏硬度隨Y2O3添加量和燒結(jié)溫度的變化情況.由圖可見(jiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度相同時(shí)，樣品的硬度在Y2O3添加量為2%～6%范圍內(nèi)隨著添加量的增加而增大，當(dāng)添加量超過(guò)這一范圍時(shí)，硬度減小，其中添加量在2%～4%范圍內(nèi)硬度增幅較大；當(dāng)Y2O3添加量相同時(shí)，樣品的硬度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大.樣品硬度從1 500 ℃到1 525 ℃有較大幅度的提高，最大增幅可達(dá)2.2 GP，其中添加6%Y2O3于1 575 ℃燒結(jié)的樣品硬度最大，為11.0 GP.以上分析表明，燒結(jié)溫度和Y2O3添加量對(duì)樣品硬度均有較大影響，其中燒結(jié)溫度較Y2O3添加量對(duì)樣品硬度影響稍大.

圖7 Y2O3添加量對(duì)不同樣品維氏硬度的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

a.燒結(jié)溫度和Y2O3添加量的增加對(duì)樣品密度的增加雖有一定程度的影響，樣品的密度在4.2～4.4 g/cm3之間，變化的輻度較小.

b.樣品的物相均由ZrSiO4和穩(wěn)定ZrO2組成，Y2O3添加量的增加促進(jìn)了ZrSiO4的分解和穩(wěn)定ZrO2的生成.

c.低溫?zé)Y(jié)樣品的結(jié)構(gòu)較為疏松，包含較多形狀不規(guī)則的氣孔，晶粒平均粒徑約為4 μm，隨著燒結(jié)溫度的增加，樣品的晶粒粒徑基本不變，但氣孔數(shù)量大大減少，材料的致密度有了較大提高，氣孔及穩(wěn)定ZrO2的存在，是影響材料密度的重要因素.

d.隨著Y2O3添加量的增加樣品硬度先增大再減小，溫度升高有助于硬度的提高，其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%Y2O3于1 575 ℃燒結(jié)的樣品硬度最大，可達(dá)11.0 GP.

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