PSZ-ZTA層狀復合陶瓷的制備

石 棋 武敬君

景德鎮陶瓷大學 江西 景德鎮 333403

引 言

前人研究[1～6]的系層狀復合陶瓷材料其表層多取ZTA材料，且表層較薄一般為300～500μm。由于其表面薄層在高溫下反復使用時，材料會受到化學侵蝕以及熱震導致的表面脫落等不利因素影響，薄層的設計不利于長期反復使用。本文主要研究厚層復合。

1、實 驗

1.1實驗原料與配方

本實驗主要采用氧化鋁、部分穩定氧化鋯(3YPSZ)、碳酸鈣、二氧化硅等作為原料。因全穩定氧化鋯陶瓷與氧化鋁的熱膨脹曲線斜率差距較大，故本實驗僅涉及表層為部分穩定氧化鋯陶瓷材料。

實驗首先確定氧化鋯層配方，通過調整氧化鋁層配方來與氧化鋯層匹配，氧化鋁層具體配方如表1。

1.2制備工藝與工藝參數

按照表1、表2配料、球磨、烘干、造粒、干壓成型于最高溫度1700℃的推板窯中燒結，高溫保溫2小時，升溫速度5℃/min。所制備層狀復合樣品總厚度為5-6mm，表層氧化鋯厚度為2-3mm。

2、結果分析

2.1 熱膨脹分析

圖1(a)為部分穩定氧化鋯層材料的熱膨脹曲線圖。在800℃之前與1100℃之后，材料的熱膨脹與溫度均呈線性關系。800-1100℃范圍內，材料膨脹與溫度關系呈現先減小隨后增大的非線性特點。

圖1 (b)為表1中2、3、4號氧化鋁層配方熱膨脹曲線，可以看到配方2中ZrO2:Al2O3=2:8時，其熱膨脹曲線為直線；3、4號配方中當ZrO2含量增多時材料的熱膨脹在約450℃開始出現非線性變化。

表1 氧化鋁層配方

對比圖1(a)、(b)可發現，只有2號配方材料800℃之前熱膨脹曲線為直線，與氧化鋯層材料的熱膨脹曲線相匹配，即只有當ZrO2:Al2O3=2:8時，氧化鋁層材料的熱膨脹曲線才可能與氧化鋯層材料在800℃之前相吻合。

圖1 (c)圖為5、6、7號配方以及氧化鋯層熱膨脹曲線組圖，8號配方過燒因此無測試。從圖(c)中可以看出5號陶瓷熱膨脹曲線為直線，6、7其熱膨脹曲線在800℃附近均有波動，先減小隨后增大。其中6號配方，當SiO2含量為2.47g的時候其熱膨脹曲線與氧化鋯層最為接近。

圖1 氧化鋯層和氧化鋁層的熱膨脹曲線

2.2 微區元素分析

表2 微區元素含量

圖2為層狀復合陶瓷的樣品層界面掃描圖，上層為氧化鋯層，下層為氧化鋁層。對該區域層結合處以及上下部分進行微區分析，選取5個點位置進行元素掃描，所得結果如表2所示。

圖2 陶瓷層界面點掃描圖

其中1、2、3區位于氧化鋯層，可以看出區域1以大晶粒的氧化鋯為主，區域2、3主體為氧化鋯，其次為Al，其余部分可能是Si、Al或Zr高溫共融冷卻形成的非晶態物質。區域4位于層面結合處，亦含有少量Si與Al。區域5位于氧化鋁層，Al含量明顯高于其他4個區。2、3各區域均含有Si，而2、3區處于氧化鋯層，配方中并未引入Si元素。這表明Si元素在高溫下發生擴散行為，由氧化鋁層經界面處擴散至氧化鋯層。

表2中2、3區域皆處于氧化鋯層，區域5位于氧化鋁層，2、3處Si元素含量皆高于區域5。結合熱膨脹曲線圖推測，SiO2與CaO和Al2O3高溫下形成CaOAl2O3-SiO2三元系統并共融成液相，通過液相流動傳質的方式由氧化鋁層進入氧化鋯層，并填充于縫隙之中起到消除高溫下的熱應力等作用。降溫過程中形成的含硅非晶態具有較低的熱膨脹系數，其彌散在氧化鋯晶粒周圍可以降低氧化鋁晶粒對氧化鋯晶粒的壓制作用，從而單斜氧化鋯得以相變。因此加入二氧化硅之后的熱膨脹曲線與氧化鋯層熱膨脹曲線更為符合。

2.4 抗折強度的分析

表3 陶瓷的抗折強度

表3為6號實驗所制備的層狀復合陶瓷以及單獨的氧化鋁層及氧化鋯層的強度數據。

由上表的抗折強度數據可知：氧化鋯層的抗折強度較低；氧化鋯-氧化鋁層狀復合層的強度大于單層氧化鋯層的強度和單層氧化鋁層的強度。說明在相同條件下，層狀復合陶瓷可以承受更大的外力，具有更好的機械性能，更高的抗折強度。

3、結論

綜合以上分析可以得出以下幾點結論：

(1)PSZ-ZTA層狀復合陶瓷可實現厚層復合。

(2)當PSZ-ZTA層狀復合陶瓷氧化鋁層配方為：20g3Y-PSZ、80gAl2O3、2.47gSiO2、1.07gCaCO3時與氧化鋯層復合結果較好。

(3)SiO2與CaO和Al2O3高溫下形成CaO-Al2O3-SiO2三元系統并共融成液相，在層界面附近由氧化鋁層通過液相流動傳質的方式至氧化鋯層，從而起到消除部分層間應力的作用使兩層材料更好的結合。降溫過程中液相冷卻形成的玻璃相阻礙了氧化鋁的收縮應力作用于氧化鋯晶粒，為四方氧化鋯向單斜相轉化預留了空間，促使四方氧化鋯完成向單斜相的轉變，使氧化鋁層的熱膨脹曲線趨近于氧化鋯層，解決因熱膨脹不同導致復合陶瓷的層間開裂、變形等問題。