高性能氧化鋯陶瓷最優(yōu)工藝研究

杜亞男，范立坤

(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

氧化鋯陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。常壓下純氧化鋯有三種晶型，由于晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變化，造成開(kāi)裂[1]。加入適量穩(wěn)定劑，使氧化鋯從高溫冷卻至室溫過(guò)程中盡可能多的保留四方相，控制并提高對(duì)增韌有貢獻(xiàn)的四方到單斜相的有效轉(zhuǎn)變[2-3]。

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯由于其綜合性能最好，成為應(yīng)用最為廣泛的氧化鋯材料。有研究表明，Y2O3含量在2.5mol%時(shí)抗彎強(qiáng)度最高；在2mol%時(shí)斷裂韌性最大[4]。本文主要以Y2O3含量在2～2.5mol%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯為原料，制備出綜合性能較高的氧化鋯陶瓷，并探討成型和燒結(jié)工藝對(duì)氧化鋯陶瓷性能的影響，從而為生產(chǎn)提供理論依據(jù)，進(jìn)而生產(chǎn)出高性能的氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷。

1 實(shí) 驗(yàn)

將氧氯化鋯、硝酸釔、硝酸鋁按比例配置成溶液，氨水為沉淀劑，采用共沉淀法制備出釔穩(wěn)定氧化鋯粉體，加入一定比例的PVA，水為介質(zhì)，濕法球磨，烘干、造粒，得到可成型的釔穩(wěn)定氧化鋯粉（Y-ZrO2）。在8.3MPa 壓力下干壓，然后在不同壓力下冷等靜壓成型，將制得的生坯在不同溫度下燒結(jié)，并保溫不同時(shí)間，研究等靜壓壓力、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對(duì)陶瓷密度、抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性的影響。具體試樣編號(hào)如表1 所示。

表1 不同工藝的Y-ZrO2陶瓷試樣編號(hào)Tab.1 Numbers of Y-ZrO2 ceramic samples obtained by different processes

用固體密度計(jì)測(cè)試試樣的體積密度；用抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度；用維氏硬度計(jì)，加載載荷為196N，保壓時(shí)間為30s，測(cè)試試樣的硬度和斷裂韌性。

2 結(jié)果與分析

2.1 等靜壓壓力對(duì)陶瓷性能的影響

相對(duì)密度是衡量陶瓷材料燒結(jié)程度的一種表征手段，相對(duì)密度越大，說(shuō)明材料的體積密度越接近理論密度；相反，相對(duì)密度越小，材料的體積密度越小，材料中氣孔等缺陷越多。不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO2陶瓷密度的影響如圖1 所示，其中Y-ZrO2陶瓷的理論密度取6.10g/cm3計(jì)算。由圖1 可知，等靜壓壓力為50MPa 時(shí)，相對(duì)密度達(dá)到99.1%，隨等靜壓壓力的增大，相對(duì)密度增大，100MPa 后趨于穩(wěn)定，達(dá)到99.8%以上。冷等靜壓可以提高坯體的致密性和均勻性，但達(dá)到一定壓力后，可流動(dòng)的顆粒減少，孔隙較少，繼續(xù)增大壓力意義不大。

氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度主要與材料的致密度有關(guān)，兩者大致符合指數(shù)關(guān)系[5]，即σ=σ0exp(-bp)(p為氣孔率；σ 為氣孔率為p 時(shí)的強(qiáng)度；σ0為氣孔率為0 時(shí)的強(qiáng)度；b 為常數(shù)）。材料密度增大，孔隙率減小，抗彎強(qiáng)度增大。不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO2陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖2 所示。由圖2 可知，隨等靜壓壓力的增大，Y-ZrO2陶瓷的抗彎強(qiáng)度增大，等靜壓壓力100MPa 以后抗彎強(qiáng)度均達(dá)到1000MPa 以上，這與圖1 結(jié)果是相吻合的。

圖1 等靜壓壓力對(duì)相對(duì)密度的影響Fig.1 Effect of isostatic pressure on relative density

圖2 等靜壓壓力對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of isostatic pressure on bending strength

不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO2陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖3 所示。由圖3 可知，隨等靜壓壓力的增大，Y-ZrO2硬度和斷裂韌性變化不大，硬度達(dá)到12GPa 以上，斷裂韌性達(dá)到14.5MPa.m1/2以上。綜合考慮，等靜壓壓力為100MPa 以上時(shí)Y-ZrO2陶瓷的綜合性能優(yōu)良，在200MPa 時(shí)最佳。

圖3 等靜壓壓力對(duì)硬度和斷裂韌性的影響Fig.3 Effect of isostatic pressure on hardness and fracture toughnes

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷性能的影響

燒結(jié)溫度的高低直接影響顆粒尺寸、致密性等，其對(duì)陶瓷致密性的影響用陶瓷試樣的相對(duì)密度變化表示。燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO2陶瓷密度的影響如圖4 所示。由圖4 可知，1300℃燒結(jié)后，相對(duì)密度偏低，低于98%。隨著燒結(jié)溫度的升高，相對(duì)密度增大，1350℃后達(dá)到99.5%以上，并且在1450℃時(shí)達(dá)到了100%的完全致密。但燒結(jié)溫度在1450℃以后，相對(duì)密度有所下降，這是因?yàn)樯倭繂涡毕嗟某霈F(xiàn)以及氧化鋯晶粒尺寸的異常增大導(dǎo)致的。

燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO2陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖5 所示。由圖5 可知，氧化鋯陶瓷抗彎強(qiáng)度的變化規(guī)律與相對(duì)密度相同。在1300℃燒結(jié)時(shí)，顆粒未充分接觸，粘結(jié)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致材料的抗彎強(qiáng)度偏低；隨著燒結(jié)溫度的升高，顆粒進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)，充分接觸，氣孔減少，材料的抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)，在1450℃時(shí)達(dá)到最大值。但進(jìn)一步升高溫度，由于材料的相對(duì)密度有所下降，導(dǎo)致氣孔增多，材料的有效承載面積減小，抗彎強(qiáng)度下降[6]。

圖5 燒結(jié)溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of sintering temperature on bending strength

燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO2陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖6 所示。由圖6 可知，在1300℃燒結(jié)時(shí)，氧化鋯陶瓷的硬度和斷裂韌性均偏低。隨著燒結(jié)溫度的升高，1350℃以后，材料的硬度變化趨于平穩(wěn)，達(dá)到12GPa 以上。斷裂韌性隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，在1450℃達(dá)到最大為15.4 MPa.m1/2，隨后有所下降。綜合考慮，Y-ZrO2陶瓷的綜合性能在1450℃燒結(jié)時(shí)最佳。

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)硬度和斷裂韌性的影響Fig.6 Effect of sintering temperature on hardness and fracture toughnes

2.3 保溫時(shí)間對(duì)陶瓷性能的影響

保溫時(shí)間短，陶瓷晶界不能充分的擴(kuò)散以及晶粒來(lái)不及再結(jié)晶，導(dǎo)致陶瓷的性能偏低；但是保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒異常長(zhǎng)大或者二次重結(jié)晶，同樣不利于陶瓷產(chǎn)品的性能。因此適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間對(duì)陶瓷產(chǎn)品的性能也是至關(guān)重要的。保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO2陶瓷相對(duì)密度的影響如圖7 所示。由圖7可知，保溫時(shí)間較短時(shí)，陶瓷相對(duì)密度低于98%，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，相對(duì)密度先增大后略有下降。這是因?yàn)楸貢r(shí)間短，顆粒間擴(kuò)散時(shí)間不夠，使得氣孔不能完全排出而留在晶粒間，導(dǎo)致陶瓷致密度不夠；保溫時(shí)間延長(zhǎng)，氣孔減少，陶瓷致密度增加；但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒異常長(zhǎng)大，晶粒生長(zhǎng)引起臨近氣孔聚集[7]，導(dǎo)致陶瓷相對(duì)密度有所下降。

圖7 保溫時(shí)間對(duì)相對(duì)密度的影響Fig.7 Effect of soaking time on relative density

保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO2陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖8所示。由圖8 可知，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，氣孔減少，氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度增大，在1.5h-2h 達(dá)到最大；此時(shí)陶瓷達(dá)到致密化，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒長(zhǎng)大，由Hall-petch 公式[8]可知，抗彎強(qiáng)度與晶粒大小成反比關(guān)系，因此2h 后抗彎強(qiáng)度下降。

圖8 保溫時(shí)間對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of soaking time on bending strength

保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO2陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖9 所示。由圖9 可知，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化鋯陶瓷硬度變化不大，達(dá)到12GPa 以上。斷裂韌性基本是先減小后增大，這與陶瓷抗彎強(qiáng)度變化一致。因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，斷裂韌性是隨著抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小的。綜合考慮，Y-ZrO2陶瓷的綜合性能在1.5h-2h 保溫最佳。

圖9 保溫時(shí)間對(duì)硬度和斷裂韌性的影響Fig.9 Effect of soaking time on hardness and fracture toughnes

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)Y-ZrO2陶瓷工藝的研究，得到了最佳的制備工藝。在等靜壓壓力為200MPa、燒結(jié)溫度為1450℃、保溫時(shí)間為2h 時(shí)，氧化鋯陶瓷的綜合性能最佳，相對(duì)密度達(dá)到99.9 以上，幾乎完全致密化，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1200MPa 以上，硬度達(dá)到12GPa 以上，斷裂韌性達(dá)到15MPa.m1/2以上。Y-ZrO2陶瓷的綜合性能優(yōu)于市售的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷，可以更好地應(yīng)用于生產(chǎn)中，制備出高性能的氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷。