Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3層狀復合材料的制備與性能研究

摘 要：本文采用滾磨法制備了ZTA、Ca-ZrO2料漿， 以Al2O3為基板，在基板上進行雙面噴涂料漿，制備Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3層狀復合材料。Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3層狀復合材料在1300~1400℃條件下保溫2 h制得試樣。用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣的相組成和顯微結構進行分析。結果表明，試樣呈層狀結構，其密度和強度隨燒成溫度升高而增加，抗熱震性隨燒成溫度升高而降低。在1300℃條件下，燒成的試樣可承受30次以上的熱循環測試，此時形成的微裂紋網絡可以改善試樣的抗熱震性。

關鍵詞：多層復合材料；Ca-ZrO2；噴涂；抗熱震性

1 引 言

電子陶瓷材料是以電、磁、光、熱和力學等性能及相互轉換為主要特征，在電子、通訊、自動控制、信息計算機、激光、醫療、機械、汽車、航空、航天、核技術和生物技術等眾多高技術領域中成為關鍵材料。其市場需求量大，產業化前景廣闊，是一類重要的、國際競爭激烈的高技術新材料，有著顯著的社會效益和可觀的經濟效益[1~4]。由于小型化和一致化的要求，大多數電子陶瓷在燒成過程中會用到承燒板，電子陶瓷的迅速發展給承燒板帶來了巨大的市場。

目前，市面上主要有莫來石多孔承燒板[5]、鈦酸鋁剛玉承燒板[6]、剛玉—莫來石承燒板[7]、全氧化鋁承燒板、全氧化鋯承燒板[8]及氧化鋯/氧化鋁復合承燒板[9~10]。

田維[8]等以電熔氧化鋯原料為基料，氧化鈣、氧化釔為穩定劑，經電弧爐煅燒，再經球磨、振磨、干壓或注漿成形，干燥后在1550~1650℃燒成，獲得一種電子工業用氧化鋯承燒板。

當前，電子陶瓷用氧化鋯承燒板的發展趨勢是向著輕質化和表面噴涂方向發展，主要有等離子噴涂氧化鋯/氧化鋁復合承燒板、涂覆氧化鋯/氧化鋁復合承燒板和噴涂氧化鋯/氧化鋁復合承燒板。

蘇偉強[10]等將氧化鋯粉體放進專用設備的送粉裝置里，然后送到噴槍噴嘴中；將氧化鋁陶瓷基板裝夾在專用工作臺上；啟動專用等離子設備，把氣體送到噴槍中，點燃噴槍產生等離子焰流，在氧化鋁陶瓷基板上進行熔射噴涂。涂覆氧化鋯/氧化鋁復合承燒板生產成本低，且重量輕，有節能降耗的效果。由于氧化鋯和氧化鋁結合性的差異，氧化鋯涂層與剛玉氧化鋁或剛玉莫來石基材的結合強度、分層均勻性等方面還有待提高。

本實驗采用電熔鈣穩定氧化鋯，通過滾磨法制備了ZTA、Ca-ZrO2料漿，以Al2O3為基板，在基板上進行雙面噴涂料漿制備Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3層狀復合材料。

2 試驗內容

2.1層狀復合材料的制備

將適量的Ca-ZrO2粉和蒸餾水加入塑料罐中，并加入適量的分散劑，以氧化鋯球作為研磨介質，球磨機的速度為60 r/min，球磨時間為6 h，然后加入PVA和消泡劑繼續球磨1 h制成Ca-ZrO2料漿。按同樣的工藝制備ZTA料漿，其中，滿足ZrO2:Al2O3=15:85。

將Al2O3噴霧造粒粉雙向干壓成形，獲得Al2O3基板，在其雙面噴涂料漿，獲得Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3層狀復合材料，如圖1所示。將制得的復合材料分別在1300 ℃、1350 ℃和1400 ℃下保溫2 h。

2.2試樣性能的測試方法

燒成后試樣根據阿基米德原理，用北京賽多利斯（Satorius）精密天平有限公司的電子分析天平及YDK01型密度測定附件，測試試樣的重量和體積密度。使用美國Instron5567型萬能材料實驗機測量試樣的抗彎強度。采用三點抗彎法，測試夾具跨距，其值為30 mm，加載速度為0.5 mm/min。在1030 ℃下保溫10 min后取出冷卻至室溫，循環測試至試樣表面出現裂紋，以試樣能承受的循環次數表征試樣的抗熱震性。

2.3試樣的相組成和顯微結構

采用荷蘭Panalytical公司的Xpert PRO型X射線儀對試樣斷口界面結合處進行物相分析。

利用德國ZEISS公司EVO18 Special Edition型掃描電鏡觀察燒成后試樣的斷口形貌、各層厚度、界面結合情況。

3 結果分析與討論

3.1界面的相組成和顯微結構的分析

圖2為Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料燒成后試樣斷口界面結合處的X射線衍射圖。

由圖2可見，不同溫度條件下，Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料斷口主要成分為Al2O3，ZrO2含量較少。僅出現不明顯的四方相峰，單斜相幾乎沒有出現。這是由于試樣ZrO2涂層較薄，且在斷口處ZrO2層有崩裂現象。圖3為試樣各層界面結合處的SEM圖。

由圖3可以看出，試樣呈明顯的層狀結構，各層之間界限明顯。氧化鋁基板厚度為2.6mm，而ZTA層、氧化鋯層的厚度則為150 μm左右，其厚度可控制在100~300 μm之間。

3.2試樣性能的分析

圖4為Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料在不同溫度下燒成后，采用排水法測得的體積密度。由圖4可知，材料的密度隨燒成溫度升高而不斷增大。這是因為溫度升高，顆粒之間相互連接增多，晶粒越來越緊密，氣孔和晶界逐漸減少。因此，燒成溫度越高，收縮越大，試樣的密度也就越大。

圖5為Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料在不同溫度下燒成后，測得的抗彎強度曲線圖。

圖5可以看出，隨著燒成溫度的升高，試樣的抗彎強度也顯著升高。一方面，燒成溫度提高，導致顆粒間的排列更為緊密，試樣致密度提高，同時總體積收縮增大。另一方面，試樣的燒成溫度升高，試樣中的晶粒長大，顆粒相互連接增多，空隙和晶界減少，氣孔由連通狀態變成孤立的小氣孔。不同燒成溫度下試樣ZrO2涂層的SEM圖如圖6所示。Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料在1300℃、1350℃、1400℃燒成后的抗熱震性能如表1所示。

Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3復合材料的熱震測試條件為1030℃保溫10min，然后在空氣中自然冷卻。由表1可以看出，隨著燒成溫度升高，其熱循環次數減少，抗熱震性能變差。1300℃燒成后，試樣經30次1030℃到室溫的熱循環后，仍無裂紋出現，抗熱震性能較好。燒成溫度升高到1400℃，試樣5次熱循環后，涂層即隨基板斷裂。由圖4可以看出，燒成溫度提高，試樣的密度增加。由圖5可以看出，燒成溫度提高，試樣的強度同樣有所提高。說明試樣的抗熱震性能隨強度升高而降低。這是因為燒成溫度低導致材料的致密度較低，試樣顆粒之間存在大量的氣孔、裂紋、空隙，如圖7所示。

由圖7可以看出，試樣是一種疏松的材料，由抗熱震[12~13]理論可知，材料的抗熱震性能與其強度成反比。此時，材料在低溫時形成的微裂紋網絡有利于提高材料的抗熱震性能。

4 結論

（1） 試樣各層界面結合處僅含有少量四方相氧化鋯，試樣呈明顯的層狀結構，各層之間界限明顯。

（2） 材料的密度和強度均隨燒成溫度的升高而有不同程度的增加。

（3） 1300℃燒成的Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3試樣能承受超過30次，隨著燒成溫度升高，試樣的抗熱震性反而下降，這是因為試樣在燒成溫度為1300℃時能形成較好的微裂紋網絡。

參考文獻

[1] 范福康，吳紅忠.電子陶瓷材料發展現狀、展望與思考[J].電子元

件與材料，2005(2):58-60.

[2] 祝成波，劉維平.電子陶瓷材料發展現狀與開發趨勢[J].現代技

術陶瓷，2006(1):35-39.

[3] 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.

[4] 石成利，劉國.電子陶瓷材料的研究應用現狀及其發展趨勢[J].

現代技術陶瓷， 2008(3): 11-16.

[5] 董高峰，盧存建，聶松杰.一種莫來石多孔窯用承燒板[P].專利號:

200920090629.

[6] 阮余華.鈦酸鋁剛玉承燒板[P]. 專利號：02246166.

[7] 劉鵬，周會俊，王龍光等. 一種高溫抗蠕變剛玉-莫來石承燒板

及其制備方法[P].專利號:200810231096， 2009-05-06.

[8] 田維，陳捷，孫百忠.電子工業用氧化鋯窯具及其制造方法[P].專

利號:00134569， 2001-05-09.

[9] 曹瑞國，曹淅瑩.復合氧化鋯承燒板[P].專利號:03233055.

[10] 蘇偉強，鄧偉良，呂喜鵬等.復合陶瓷承燒板的制造方法及復合

陶瓷承燒板[P].專利號: 200710027135，2007-10-03.

[11] 田維，歐明，姜知水.一種電子工業用氧化鋯復合窯具及其制造

方法[P].專利號: 200810102225，2008-08-20.

[12] Wolfstieg U.; Macherauch E. Ursachen und Bewertung von

Eigenspannungen[J]. Chemie Ingenieur Technik， 1973， 45(11):

760-770.

[13] 華南工學院.陶瓷材料物理性能[M].北京:中國建工出版社，

1980， 75.