壓力噴涂法制備YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料

摘 要：采用在Al2O3基板上噴涂YSZ和ZTA料漿，經(jīng)常壓燒結(jié)制備YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料。SEM顯微結(jié)構(gòu)分析表明，各層結(jié)合緊密，且有一定的相互滲透。抗熱震性試驗(yàn)表明，燒結(jié)溫度對(duì)試樣的抗熱震性能影響顯著。力學(xué)性能測(cè)試表明，試樣的抗彎強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大，抗熱震后殘余強(qiáng)度比例隨著溫度升高而降低。ZTA涂層存在對(duì)提高YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：YSZ/ZTA/Al2O3；壓力噴涂；三乙醇胺；抗熱震性

1 引 言

電子陶瓷是廣泛應(yīng)用于電子信息領(lǐng)域的一類新型材料，是電子、微電子工業(yè)及光電子工業(yè)制備基礎(chǔ)元件的關(guān)鍵，其市場(chǎng)需求量大，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊[1~4]。由于很多電子陶瓷元件，如敏感元件、磁性材料等化學(xué)性質(zhì)都比較活潑，所以在承燒板的選擇上要特別注意承燒板的化學(xué)穩(wěn)定性，避免與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響產(chǎn)品的性能和承燒板的壽命[5]。

氧化鋯質(zhì)承燒板是采用鈣或釔穩(wěn)定的氧化鋯材料制成的。這種穩(wěn)定氧化鋯可以避免由于燒成中晶型轉(zhuǎn)變帶來體積變化而不利于承燒板的耐熱沖擊性，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，是電子陶瓷燒成中使用的一種高檔窯具材料[6]。但是氧化鋯承燒板由于采用全鋯制成，所以成本高、蓄熱較大，不利于節(jié)能環(huán)保[7]。而涂層型窯具（即在氧化鋁基板上噴涂一層氧化鋯）實(shí)現(xiàn)了最佳窯具材料與最佳表面材料的理想結(jié)合[8]。但是，由于氧化鋯和氧化鋁的熱膨脹系數(shù)差異較大[9]（氧化鋁線膨脹系數(shù)為4～6×10-6 K-1，氧化鋯線膨脹系數(shù)為10×10-6 K-1），在燒成過程中涂層和基板易產(chǎn)生剝落。為了解決涂層的附著問題，本文采用在氧化鋁基片和YSZ涂層間增加ZTA涂層的辦法，制備出性價(jià)比高且使用壽命接近全氧化鋯承燒板的YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 多層復(fù)合材料的制備

YSZ/ZTA/Al2O3三層復(fù)合材料的制備流程如圖1所示。噴涂壓力為0.6MPa，控制噴涂時(shí)間，使YSZ控制在150 ~200μm左右，ZTA層在100μm左右。

2.2 層狀復(fù)合材料性能表征

（1） 顯微結(jié)構(gòu)分析

試樣顯微結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析，掃描電子顯微鏡的型號(hào)是ZEISS公司EVO18 Special Edition，Germany，觀察前對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金處理。

（2） 抗彎強(qiáng)度測(cè)試

試樣抗彎強(qiáng)度使用美國(guó)Instron5567型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。采用三點(diǎn)抗彎法，測(cè)試時(shí)夾具跨距為30 mm，加載速度為0.5 mm/min。

（3） 抗熱震性測(cè)試

YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料的抗熱震性采用熱循環(huán)試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)試。首先將試樣置于馬弗爐中加熱至1030℃，保溫10 min，分別采用空氣冷卻至室溫或水淬為一次熱循環(huán)周期。這樣不斷循環(huán)直至涂層出現(xiàn)裂紋或剝落或基體斷裂，即認(rèn)為試件破壞，記錄循環(huán)次數(shù)為層狀復(fù)合材料的抗熱震性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料界面顯微結(jié)構(gòu)

YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料層間結(jié)合的SEM顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中（a）是YSZ涂層和ZTA涂層的結(jié)合界面，（b）是ZTA涂層和Al2O3基體的結(jié)合界面。可見，層狀復(fù)合材料各結(jié)合層的結(jié)合都比較緊密，沒有明顯的裂紋產(chǎn)生，且各層中還有一定的相互滲透。ZTA層的加入一定程度上消解了Al2O3和ZrO2熱膨脹系數(shù)差異較大的問題。這也是在抗熱震性試驗(yàn)中雖然基體出現(xiàn)了斷裂但是涂層卻沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象的主要原因之一。

YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料橫截面線掃描能譜如圖3所示。由圖3可知，Zr元素和Al元素在復(fù)合材料中的分布基本符合設(shè)計(jì)初衷，但在各層界面處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的滲透。在ZTA層中，Zr元素傾向于集中在ZTA層的下部，Al元素傾向于集中在ZTA層的上部，這主要是因?yàn)閆r比較重，在料漿中及噴涂過程中發(fā)生沉降的緣故。因此，為了增加漿料的穩(wěn)定性，穩(wěn)定劑的選擇至關(guān)重要。

3.2 YSZ/ZTA/ Al2O3層狀復(fù)合材料抗熱震性能及其重要影響因素

（1） YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料抗熱震性能及燒結(jié)溫度對(duì)熱震性的影響

不同溫度燒結(jié)的YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料在空氣中自然冷卻抗熱震性結(jié)果如表1所示。由表1可知，燒結(jié)溫度對(duì)試樣的抗熱震性能影響很大，1250℃燒結(jié)的試樣只循環(huán)了8次后就發(fā)生了基體的斷裂，這主要是因?yàn)闊Y(jié)溫度太低，氧化鋁基體未燒結(jié)完全所致。而在1300℃和1350℃下燒成的試樣在循環(huán)25次后均未出現(xiàn)基體斷裂或涂層剝落的現(xiàn)象。為了進(jìn)一步測(cè)試其抗熱震性，2、3號(hào)試樣在空冷25次熱震性循環(huán)后進(jìn)行了水淬循環(huán)測(cè)試，其結(jié)果如表2所示。1300℃燒結(jié)的2號(hào)試樣進(jìn)行了10次水淬循環(huán)后基體只出現(xiàn)了大裂紋，而1350℃燒結(jié)的3號(hào)試樣進(jìn)行8次水淬循環(huán)后基體發(fā)生了斷裂，說明太高的燒結(jié)溫度也不利于層狀復(fù)合材料抗熱震性能的提高。

各個(gè)試樣的抗熱震性能試驗(yàn)中，涂層均未產(chǎn)生剝落，說明以0.6 MPa的壓力進(jìn)行壓力噴涂可以得到結(jié)合緊密、性能良好的涂層，滿足使用條件下的抗熱震性要求。

（2） ZTA涂層對(duì)YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料抗熱震性能的影響

為了研究ZTA涂層對(duì)YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料抗熱震性能的影響，分別在1300℃和1350℃制備了Al2O3/ZrO2層狀復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比熱震試驗(yàn)。結(jié)果表明，1300℃和1350℃燒結(jié)的Al2O3/ZrO2層狀復(fù)合材料在空冷25次循環(huán)后水淬4次和6次即出現(xiàn)了基體斷裂的現(xiàn)象。說明ZTA涂層的存在對(duì)層狀復(fù)合材料的抗熱震性能有明顯的積極作用。

由于Al2O3基體和ZrO2涂層的熱膨脹系數(shù)有較大差別，ZTA涂層中含有Al2O3和ZrO2成分，熱膨脹系數(shù)居于兩者之間，能一定程度上緩解熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力。此外，ZTA的強(qiáng)度較高，對(duì)層狀復(fù)合材料的抗熱震性能也有積極的作用。

3.3 YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料力學(xué)性能

YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料在不同燒結(jié)溫度下進(jìn)行抗熱震性能測(cè)試前后的抗彎強(qiáng)度如表3所示。可見，熱震試驗(yàn)前試樣的抗彎強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。1250℃試樣未進(jìn)行水淬試驗(yàn)，不進(jìn)行比較；1300℃試樣經(jīng)過抗熱震試驗(yàn)后剩余強(qiáng)度為40.0%；1350℃試樣經(jīng)抗熱震試驗(yàn)后剩余強(qiáng)度為12.1%，下降程度較大。這主要是由于抗熱震實(shí)驗(yàn)后的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了大量的裂紋所致。這種現(xiàn)象可以通過抗熱沖擊損傷性來進(jìn)行解釋，如公式（1）所示，抗熱沖擊損傷性表征的是熱應(yīng)力作用下材料發(fā)生裂紋和缺陷后阻止裂紋擴(kuò)展的能力[11]。

從公式（1）可以看出，在材料出現(xiàn)裂紋的基礎(chǔ)上，強(qiáng)度越高，阻止裂紋擴(kuò)展的能力就越弱。因此，1350℃試樣抗熱震試驗(yàn)后強(qiáng)度下降程度較大。

4 結(jié) 論

（1） YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料界面結(jié)合都比較緊密，沒有明顯的裂紋產(chǎn)生，且各層中還有一定的相互滲透。

（2） 燒結(jié)溫度對(duì)YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料的抗熱震性能影響很大。1250℃燒結(jié)的試樣只在空冷循環(huán)了8次后就發(fā)生了基體的斷裂，而在1300℃和1350℃下燒成的試樣在空冷循環(huán)25次分別水淬了10次和8次后才出現(xiàn)斷裂和大裂紋。

（3） 隨著燒成溫度的提高，YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度也隨之增加。但抗熱震性試驗(yàn)后復(fù)合材料的強(qiáng)度下降程度不同，1300℃試樣抗熱震試驗(yàn)后剩余強(qiáng)度為40.0%；1350℃試樣抗熱震試驗(yàn)后剩余強(qiáng)度為12.1%。

（4） ZTA涂層對(duì)層狀復(fù)合材料的性能起到了明顯的積極作用。ZTA層的存在會(huì)在一定程度上消除了ZrO2層和Al2O3層因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不匹配造成的熱應(yīng)力，從而增強(qiáng)結(jié)合層之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高了YSZ/ZTA/Al2O3層狀復(fù)合材料的性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 范福康.幾種電子陶瓷材料的研究與思考[J].電子元件與材料，

2001(3):23-24.

[2] 胡賡樣，蔡殉.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，

2002:215-217.

[3] 尹衍升，張景德. 氧化鋁陶瓷及其復(fù)合材料[M].北京:化學(xué)工業(yè) 出版社， 2001.

[4] 石成利，劉國(guó).電子陶瓷材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].

陶瓷，2008(3): 11-16.

[5] 張立德，牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M]. 北京:科學(xué)出版社，

2001.

[6] 稅毅，張鵬程，蔣馳等.ZrO2納米等離子噴涂層制備研究[J].材料

熱處理學(xué)報(bào)，2004，25(1):15~19.

[7] Takahashi H，Shinohara N，Uematsu K. Influence of granule

character and compaction on the mechanical properties of

sintered silicon nitride [J]. J. Am. Ceram.Soc， 1996， 79(4):843-848.

[8] 黃新民，吳玉程，鄭玉春.納米ZrO2功能涂層的制備與組織結(jié)構(gòu)[J].

新技術(shù)新工藝，2000，2:31~32.

[9] 彭松林.等離子噴涂涂層的組織與性能的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大

學(xué)，2003.2.

[10] 金志浩，高積強(qiáng)，喬冠軍.工程陶瓷材料[M].西安:西安交通大學(xué)

出版社， 2000.

[11] 陳虹，胡利明，任衛(wèi)等. ZrO2陶瓷熱障涂層的研究[J].中國(guó)表面

工程，2000，49(4):12-14.