添加ZrSiO4制備Al2O3/ZrO2/莫來石復相陶瓷的組織及力學性能研究

趙龍江，?？烧?，雒　融，黃治文，曾德軍

(1.長安大學材料科學與工程學院，西安　710064；2.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，西安　710049)

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添加ZrSiO4制備Al2O3/ZrO2/莫來石復相陶瓷的組織及力學性能研究

趙龍江1，?？烧?，雒融1，黃治文1，曾德軍2

(1.長安大學材料科學與工程學院，西安710064；2.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，西安710049)

將一定質量的硅酸鋯和氧化釔加入無水乙醇濕法研磨、干燥后,加入Al2O3陶瓷粉料中，1550 ℃常壓燒結，保溫3h,制得陶瓷。研究所制備陶瓷的微觀組織及其力學性能。結果表明：添加ZrSiO4之后，陶瓷中生成了t-ZrO2，ZrO2相變時的體積效應彌補了部分氣孔，使復相陶瓷氣孔減少，致密度提高；界面生成的ZrO2改變了材料的斷裂方式，使材料的抗彎強度、斷裂韌性、抗熱震性能都得到明顯的改善。

氧化鋁陶瓷； 硅酸鋯； 氧化釔； 力學性能； 微觀組織

1　引　言

氧化鋁陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性良好等優異的性能，而且原料來源廣泛、價格低廉，在電子、航空、機械、紡織、建筑等領域都有廣泛的應用[1]。然而氧化鋁陶瓷的抗熱震性能和抗金屬沖刷能力較弱[2],某些工礦條件下(如熔融金屬過濾器),必須對其性能進行改善。在氧化鋁陶瓷中添加氧化鋯，形成復相陶瓷是提高其性能的有效途徑之一[3,4]，鐘金豹等[5]利用納米氧化鋯的相變增韌來提高氧化鋁基體的綜合力學性能，結果表明復合刀具材料的力學性能遠遠超過單相氧化鋁材料。王志等[6]通過莫來石纖維和納米氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復合材料，研究表明：復合材料晶粒細化、力學性能顯著提高。通常氧化鋯是將硅酸鋯經過復雜的提純工藝獲得的，因此成本巨大[7]。Arno等[8]利用商業硅酸鋯粉末，通過添加不同比例的莫來石粉末直接燒結制備了氧化鋯/莫來石復合材料，并對其力學性能和斷裂特性進行了研究，結果表明：莫來石的存在有助于硅酸鋯的熱分解，氧化鋯的產生通過多種機制對復合材料的力學性能和斷裂特性發揮作用。

本研究依據硅酸鋯在高溫下容易分解為氧化鋯和二氧化硅的特點，在硅酸鋯中加入晶型穩定劑氧化釔，以無水乙醇為介質濕法研磨、干燥后，添加于氧化鋁陶瓷粉料中，制備氧化鋁/氧化鋯/莫來石復相陶瓷?？疾焖纬蓮拖嗵沾傻奈⒂^組織及力學性能，為低成本制備氧化鋁/氧化鋯/莫來石復相陶瓷提供實驗依據。

2　實　驗

表1　陶瓷的原料組成

采用Archimedes排水法測量試樣的顯氣孔率、體積密度。采用三點彎曲法測量試樣的抗彎強度，試樣尺寸為：5mm×5mm×30mm，跨距為16mm。用單邊切口梁法測量試樣的斷裂韌性，試樣尺寸為：2mm×4mm×30mm,跨距為16mm。為測試材料抗熱震性能，將試樣在1200 ℃，保溫5min,空冷，并重復操作，以觀測到試樣出現龜裂紋的循環次數與熱震后試樣的抗彎強度共同表征試樣的抗熱震性能。采用D8ADVANCE型X射線衍射儀分析樣品的物相組成，用S-4800型掃描電子顯微鏡分析樣品的顯微結構。

3　結果與討論

3.1復相陶瓷的組成與組織

圖1　試樣的XRD圖譜(a)S1；(b) S2Fig.1　XRD patterns of the sample(a)S1；(b)S2

圖1中a、b分別是S1和S2試樣的XRD圖譜?？梢钥吹?，S1的物相中只有α-Al2O3和莫來石相，而S2中由于添加了ZrSiO4，除α-Al2O3、莫來石相外，生成了氧化鋯相；值得注意的是：由于氧化釔的作用，部分氧化鋯得到穩定，即組成相中存在四方氧化鋯。

圖2中a、b分別是S1和S2試樣的組織照片。可以看到，未添加ZrSiO4之前,氧化鋁陶瓷中孔洞較多。圖2c、d分別為b中譜圖2點和譜圖1點的能譜分析結果，可知，氧化鋯顆粒彌散分布于氧化鋁顆粒的晶界處。因此，可以認為，添加ZrSiO4之后，其在高溫分解產生的第二相氧化鋯顆粒彌散分布于氧化鋁顆粒的晶界處，在燒結冷卻過程中四方氧化鋯向單斜氧化鋯發生相變，體積膨脹，使復相陶瓷孔洞明顯減少。

圖2　試樣的組織形貌及能譜分析(a)S1；(b)S2Fig.2　Morphology of microstructure and EDS results of the samples(a)S1;(b)S2

3.2復相陶瓷的性能

試樣的顯氣孔率、體積密度、抗彎強度及斷裂韌性測試結果如表2所示。

表2　試樣的性能

由表2可知：S2較S1的氣孔率下降明顯?？梢哉J為，復相陶瓷中生成的氧化鋯相變時的體積效應，使材料的致密度提高。圖3a、b為兩種材料的斷口形貌，也表明復相陶瓷材料的氣孔明顯減少?？梢哉J為，在復相陶瓷中，由于氧化釔的作用，Y3+與Zr4+原子半徑相近，Y3+在高溫下進入晶格取代Zr4+形成置換式固溶體，在這種情況下晶格將會產生畸變，材料的燒結隨著缺陷的增加而得到促進，使材料的致密度也隨之增加，氣孔率下降[10]。

由表2可知：S2較S1的斷裂韌性及抗彎強度明顯提高。通常認為，在應力作用下t-ZrO2向m-ZrO2轉變發生馬氏體相變，引起體積膨脹，而相變的剪切應力和體積膨脹對基體產生壓應變，抑制主裂紋擴展，從而提高了斷裂韌性[11]。復相陶瓷材料中，氧化鋯的相變導致體積膨脹，同時進一步彌補了部分氣孔，而材料的氣孔率減少使彈性模量和強度提高。氣孔的增多不僅減少了材料的負荷面積，而且應力集中在氣孔周圍，減弱了材料的負荷力，所以致密度越高，負荷面積越大，宏觀表現為抗彎強度越大。此外，S2中加入的ZrSiO4在高溫下分解產生的ZrO2顆粒分布在Al2O3顆粒的晶界處，當裂紋擴展遇到ZrO2顆粒時，由于釘扎效應可以使裂紋偏轉吸收大量能量，有利于復相陶瓷材料力學性能的提高。

圖3中c、d分別是S1和S2試樣的斷口形貌。由圖3c、d可以看到，S1試樣斷裂的方式主要為沿晶斷裂，而S2為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合的斷裂模式。由能譜分析結果(圖3e)可知，譜圖1主要元素為Zr和O，因此，穿晶斷裂發生在分布于Al2O3顆粒晶界處的ZrO2顆粒上。因此，S2中加入的ZrSiO4在高溫下產生的t-ZrO2，強化了界面結合能，改變了試樣的斷裂模式，使試樣由沿晶斷裂改變為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合的斷裂模式，提高了斷裂的臨界應力，所以材料的抗彎強度得到提高。

圖3　試樣的斷口形貌及能譜分析(a)S1;(b)S2;(c)S1;(d)S2;(e)S2Fig.3　Fracture morphology and EDS result of the specimen (a)S1;(b)S2;(c)S1;(d)S2;(e)S2

3.3抗熱震性能

圖4為S1和S2的抗熱震次數和熱震后的抗彎強度， 由圖可知：S2較S1的抗熱震性能有所提高。由于S2中添加的ZrSiO4在高溫下分解產生了t-ZrO2和m-ZrO2，在熱應力作用下t-ZrO2向m-ZrO2發生馬氏體相變，相變時產生的體積效應緩解了熱震時產生的熱應力，削弱了裂紋擴展的驅動力，另外相變增韌提高了陶瓷的強度和韌性，故S2較S1熱震性能有所提升。

圖4　復相陶瓷的抗熱震性能(a)熱震次數；(b)熱震后抗彎強度Fig.4　Properties of the thermal shock(a)number of thermal shock；(b)residual flexural strength of the sample

4　結　論

(1) 將硅酸鋯和氧化釔濕法研磨、干燥后加入Al2O3陶瓷粉料中，采用1550 ℃常壓燒結，保溫3h,可以制得含有t-ZrO2的Al2O3陶瓷；

(2)在應力作用下，Al2O3陶瓷中生成的t-ZrO2向m-ZrO2發生馬氏體相變，對Al2O3陶瓷起到相變增韌的作用；

(3)ZrSiO4在高溫下產生的t-ZrO2，分布在Al2O3顆粒的晶界處，強化了界面結合能，當裂紋擴展遇到ZrO2顆粒時，由于釘扎效應可以使裂紋偏轉吸收大量能量，使Al2O3陶瓷的斷裂方式由沿晶斷裂轉變為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合的斷裂模式，提高了斷裂的臨界應力，使材料的強度、韌性得到提高。

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MicrostructureandMechanicalPropertiesofAl2O3/ZrO2/MulliteCompositeCeramicsPreparedbyDopingwithZrSiO4

ZHAO Long-jiang1,SANG Ke-zheng1,LUO Rong1,HUANG Zhi-wen1,ZENG De-jun2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.TheStateKeyLaboratoryforMechanicalBehaviorofMaterials,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Aluminaceramicdopingwithamassofyttriumoxideandzirconiumsilicate,whichwereexperiencedawet-grindinginethanol,anddrying,wassinteredat1550 ℃for3h.Themicrostructureandmechanicalpropertiesofthecompositeceramicwerestudied.Theresultsshowedthatbothm-ZrO2andt-ZrO2wereproducedinthecompositeduetoadditionofZrSiO4.ThevolumeeffectofZrO2phasetransformationdecreasedtheporesandincreasedthedensityofthecomposite.Theflexuralstrength,fracturetoughnessandthermalshockresistanceofthecompositehavebeensignificantlyimprovedbecauseofthechangesofthefracturemodeduetoformationofZrO2attheboundariesofalumina.

aluminumoxideceramics;zirconiumsilicate;yttriumoxide;mechanicalproperty;microstructure

趙龍江(1991-)，男，碩士研究生.主要從事陶瓷/金屬復合材料方面的研究.

?？烧?，博士，教授.

TQ174

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1001-1625(2016)01-0275-05