8YSZ陶瓷成型與燒結工藝的優化

任繼文，成佐明

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

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8YSZ陶瓷成型與燒結工藝的優化

任繼文，成佐明

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

為了改善8YSZ陶瓷的力學性能，以8YSZ雙粒度粉體為研究對象，對其進行干壓成型、無壓燒結實驗。對成型壓力、保壓時間及黏結劑用量等成型工藝參數進行了優化；利用正交實驗對燒結方案進行了設計，討論了燒結溫度、升溫速率、保溫時間、燒結方式等燒結工藝參數對8YSZ陶瓷燒結性能和力學性能的影響，并優化出其燒結工藝參數。結果表明：選取PVA加入量10%(質量分數)、成型壓力10MPa、保壓時間30s的成型工藝參數，可壓制出相對密度為54.9%的陶瓷坯體；選取燒結溫度1500℃，保溫時間4h，升溫速率5℃/min，燒結方式裸燒的燒結工藝參數，可制備出相對密度為98.3%，抗彎強度為100.3MPa的8YSZ陶瓷。

8YSZ；干壓成型；燒結；正交實驗；優化

8YSZ(摩爾分數為8%Y2O3全穩定ZrO2)是目前使用最廣泛的固體電解質材料，它具有離子電導率高、熱穩定性好、成本低等優點，常用作汽車氧傳感器、燃料電池等[1]。但不足的是其力學性能較差，在使用的過程中容易產生裂紋，導致傳感器因氣密性不好而失效。如何提高8YSZ陶瓷的力學性能成為研究熱點。目前常用的方法是通過摻雜燒結助劑來降低燒結溫度，在控制晶粒生長的同時使致密度最大化，從而改善YSZ陶瓷的力學性能[2-5]。同時，大量研究表明，YSZ陶瓷的力學性能與其制備工藝密切相關[6-12]。其中，成型和燒結工藝是YSZ陶瓷獲得優良力學性能的關鍵。陶瓷坯體在干壓成型的過程中，經常會出現徑向裂紋、表層脫落、翹曲和層裂等缺陷，這些缺陷會嚴重劣化YSZ陶瓷的力學性能。要壓制出外觀無缺陷、致密度高的坯體，取決于成型參數的選擇，如黏結劑用量、成型壓力、保壓時間等。燒結是在高溫下將陶瓷坯體進一步致密化的過程，通過優化燒結工藝參數，解決燒結后期致密化和晶粒生長的矛盾，是YSZ陶瓷獲得最終力學性能的關鍵。

本工作從成型和燒結制備工藝入手，通過優化其工藝參數來改善8YSZ陶瓷的力學性能。

1 實驗

1.1 實驗工藝流程

8YSZ陶瓷制備工藝流程如圖1所示。

圖1 試樣制備工藝流程Fig.1 The flow graph of experiment process

配料混料：將微米級粉體A(粒度0.1μm)與納米級粉體B(粒度53nm)以1 ∶1配料，經行星球磨機濕法球磨4h，120℃干燥得到混合雙粒度粉體C[13]。

造粒：為了提高粉體成型時的流動性，加入適量的PVA黏結劑進行造粒。

干燥過篩：造粒后真空干燥箱內60℃干燥12h，過80目塑料篩。

干壓成型：選用φ13mm的圓模和50mm×5mm的方模，在粉末壓片機上改變成型工藝參數壓制坯體。

排膠：以2℃/min的升溫速率，在100℃保溫30min，再升溫至600℃保溫2h，然后隨爐冷卻。

燒結：根據正交實驗方案，在燒結爐中進行無壓燒結。

1.2 測試方法

采用Archimedes法測量燒成后試樣的密度，取8YSZ的理論密度為5.9g/cm3，計算試樣的相對密度；用三點彎曲法測量試樣的抗彎強度，每組5根試樣，試樣尺寸為36mm×3mm×4mm，跨距為30mm，加載速率為0.5mm/min；用掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微結構。

2 干壓成型工藝參數優化

2.1 成型壓力和保壓時間的優化

稱取適量的雙粒度粉體C，加入10%(質量分數，下同)的PVA進行造粒，在1，3，5，8，10，12，15，20MPa的壓力下分別保壓10，20，30，40，50，60s壓制陶瓷坯體，加壓速率控制在0.2MPa/s左右。通過大量重復實驗，發現隨著成型壓力由小變大，從外觀上觀察，坯體會出現以下六種情況，如圖2所示。實驗結果如表1所示，表中的字母對應圖2的六種情況。

圖2 坯體的不同外觀情況 (a)徑向裂紋；(b)斷口不平齊；(c)完好坯體；(d)表面脫落；(e)翹曲；(f)嚴重層裂Fig.2 Different conditions of green ceramic (a)radial crack; (b)uneven fracture;(c)flawless green body; (d)detachment;(e)warping;(f)severe hierarchical body

從表1可以看出：(1)當成型壓力在5～10MPa之間時，可以壓制出外形光整、斷口平齊的坯體，壓力繼續增加到12MPa時，就出現圖2(d)所示表面脫落的情況；(2)在同一壓強下，保壓時間的改變對坯體外觀影響很小，在5～10MPa之間的任一壓力下，改變保壓時間都能壓制出圖2(c)所示坯體；(3)在5～10MPa壓力之外的任一壓力下，延長保壓時間，不能改變坯體的外觀情況，無法壓制出圖2(c)所示完好坯體。

表1 8YSZ陶瓷坯體成型實驗結果

好的成型工藝不僅要求坯體外觀上無缺陷，還要保證坯體的致密度盡量高。由于坯體在沒燒結之前強度較低，用Archimedes法測密度容易損壞坯體。本實驗采用電光分析天平和游標卡尺測量坯體密度，計算公式為：

ρ=m/πr2h

(1)

式中：m為坯體質量；r為坯體半徑；h為坯體厚度。

當保壓時間一定時(30s)，改變成型壓力，坯體密度與成型壓力的關系如圖3所示；當成型壓力一定時(10MPa)，改變保壓時間，坯體密度與保壓時間的關系如圖4所示。可以看出：(1)保壓時間一定時，坯體密度隨著成型壓力的增大而增大；(2)成型壓力一定時，保壓時間對坯體的密度影響不大。

圖3 成型壓力與坯體密度的關系Fig.3 The relation between the molding pressure and the green ceramic density

圖4 保壓時間與坯體密度的關系Fig.4 The relation between the dwell time and the green ceramic density

可以認為，從坯體外觀和坯體密度兩個角度探討了成型壓力和保壓時間對YSZ陶瓷成型工藝性能的影響：(1)坯體外觀完好的前提下，成型壓力越大越好，壓力越大，坯體的致密度越高；(2)保壓時間對坯體外觀和密度的影響不大，綜合壓制效率考慮，保壓時間選擇20～30s。

2.2 黏結劑用量的優化

稱取6份雙粒度粉體C，分別加入4%，6%，8%，10%，12%，15%的PVA進行造粒，造粒后的粉體對應編號為N-1，N-2，N-3，N-4，N-5，N-6。

每組粉體選用從小到大的多個壓力依次壓制，把開始出現圖2(d)表層脫落現象時的前一壓力作為該組的成型極限壓力。可以得出黏結劑用量與坯體成型極限壓力的關系，如圖5所示。

圖5 黏結劑用量與成型極限壓力的關系Fig.5 The relation between the adhesive amount and the molding limit pressure

從圖5可以看出：隨著黏結劑用量的增加，坯體的成型極限壓力逐漸增大，干壓成型時就可以選用更大的壓力壓制，有助于提高坯體的致密度。但是，黏結劑的加入量過多，則造粒后顆粒團聚強度過大，壓制時團聚體不易破碎，造成坯體中存在殘余硬團聚體，坯體顯微結構不均勻，使坯體存在內部缺陷。表2為加入不同質量分數PVA造粒粉在各自成型極限壓力下壓制出坯體密度的比較。結果顯示添加10%的PVA進行造粒壓制的坯體密度最大。

表2 各自極限壓力下的坯體密度比較

8YSZ陶瓷成型工藝參數的最終優化結果是：PVA的加入量為10%，成型壓力為10MPa，保壓時間為30s。采用優化后的成型工藝參數，可壓制出相對密度為54.9%的8YSZ陶瓷坯體。

3 燒結工藝優化

3.1 正交實驗設計

影響YSZ陶瓷燒結性能的4個主要工藝參數為：

燒結溫度、保溫時間、升溫速率和燒結方式。將它們作為正交實驗的4個主要因素，每個因素設定3個水平，制定出如表3所示的4因素3水平正交實驗表。

表3 正交實驗因素水平表

3.2 實驗結果及分析

各工藝因素及水平對實驗指標值的影響分析如下：(1)燒結溫度：隨燒結溫度的升高，相對密度和抗彎強度逐漸增大，當燒結溫度在1300～1400℃之間時對相對密度和抗彎強度的影響明顯，在1400～1500℃之間時影響相對變小；(2)升溫速率：隨升溫速率加快，相對密度和抗彎強度先增大后減小，均在5℃/min的升溫速率下出現極值點；(3)保溫時間：隨保溫時間的延長，相對密度和抗彎強度逐漸增大，保溫時間在3～4h之間時對抗彎強度影響明顯；(4)燒結方式：三種燒結方式對相對密度和抗彎強度的影響不明顯，埋燒的相對密度最大，裸燒的抗彎強度最高。

表4 正交實驗結果表

圖7 正交實驗升溫速率與值關系Fig.7 The relation between heating rate and

圖8 正交實驗保溫時間與值關系Fig.8 The relation between holding time and

圖9 正交實驗燒結方式與值關系Fig.9 The relation between sintering methods and

表5 正交實驗各影響因素優化結果

可以看出，對兩考核指標來說，燒結溫度都是最重要的影響因素，其次是保溫時間和升溫速率，唯一不同的是燒結方式對指標的影響，但結合生產實際和成本考慮，選擇裸燒更合理。因此，最終正交實驗優化的綜合結果為：A3C3B2D1，即燒結溫度1500℃，保溫時間4h，升溫速率5℃/min，燒結方式裸燒，各因素對指標的影響主次順序為燒結溫度>保溫時間>升溫速率>燒結方式。

3.3 驗證實驗

按照本章優化后的成型工藝參數和燒結工藝參數制備試樣，具體流程為：稱取適量粉體C，加入10%的PVA造粒，選用10MPa成型壓力，保壓時間30s壓制坯體；采用管式燒結爐進行無壓燒結，燒結溫度1500℃，升溫速率5℃/min，保溫時間4h，燒結方式為裸燒。通過測試可得，YSZ陶瓷的相對密度和抗彎強度分別為98.3%和100.3MPa，均高于表5中的實驗指標值。圖10為在優化工藝參數下制備出的試樣表面微觀形貌圖，可以看出，晶粒發育良好，基本無殘留氣孔，具有致密的微觀結構。

4 結論

圖10 優化工藝參數下制備出的試樣表面微觀形貌圖Fig.10 The surface morphology of the 8YSZ ceramic prepared by adopting the optimized sintering process parameters

(1)8YSZ陶瓷成型工藝參數的最終優化結果為：PVA的加入量為10%，成型壓力為10MPa，保壓時間為30s。采用優化后的成型工藝參數，可壓制出相對密度為54.9%的陶瓷坯體。

(2)8YSZ陶瓷燒結工藝參數的最終優化結果為：A3C3B2D1，即燒結溫度1500℃，保溫時間4h，升溫速率5℃/min，燒結方式裸燒，各因素對指標的影響主次順序為燒結溫度>保溫時間>升溫速率>燒結方式。

(3)按照優化后的成型和燒結工藝參數燒結試樣，可制備出相對密度為98.3%，抗彎強度為100.3MPa的8YSZ陶瓷。

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Molding and Sintering Processing Optimization of 8YSZ Ceramic

REN Ji-wen,CHENG Zuo-ming

(School of Mechanical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

In order to improve the mechanical properties of 8YSZ ceramic, the 8YSZ bimodal particle sizes powders were dry pressed and pressureless sintered. The molding process parameters including the molding pressure, pressure holding time and dosage of binder were optimized. The sintering scheme based on orthogonal test was designed. The influence of the sintering process parameters including sintering temperature, heating rate, holding time, sintering method on the sintering properties and mechanical properties of 8YSZ was discussed and their optimization value were obtained. The results show that the green ceramic with the relative density of 54.9% can be obtained by adopting the optimized molding process parameters with the dosage of PVA of 10%(mass fraction), the forming pressure of 10MPa, the pressure holding time of 30s. The 8YSZ ceramic with the relative density of 98.3% and the bending strength of 100.3MPa can be prepared by adopting the optimized sintering process parameters with the sintering temperature of 1500℃, holding time of 4h, heating rate of 5℃/min, sintering methods of naked burning.

8YSZ;dry pressing;sintering;orthogonal test;optimization

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.006

TQ174.75+8.11

A

1001-4381(2015)07-0032-06

國家自然科學基金(51162008)；江西省自然科學基金(20114BAB206001)

2014-03-28；

2014-12-10

任繼文(1969-)，男，博士，教授，研究方向是氣體傳感器，聯系地址：華東交通大學機電工程學院(330013)，E-mail：renjiwen@163.com