稀土摻雜ZTA復(fù)合陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)由于具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在高溫、機(jī)械、電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著研究的發(fā)展,這種單一相強(qiáng)化、韌化氧化鋁陶瓷的綜合性能還是不能滿(mǎn)足航空航天、交通運(yùn)輸?shù)雀叨斯こ碳夹g(shù)領(lǐng)域的需求。然而利用多元協(xié)同強(qiáng)化ZTA復(fù)相陶瓷以及多種增韌機(jī)制的耦合協(xié)同將成為提高ZTA陶瓷斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度的重要研究和發(fā)展方向。
　　 本文通過(guò)調(diào)整體系組成和改變陶瓷燒結(jié)工藝,改善ZTA陶瓷的粉體性能、燒結(jié)性和顯

2、微結(jié)構(gòu),提高材料的綜合力學(xué)性能。以ZrOCl2·8H2O,Al(NO3)3·9H2O,Y(NO3)3·6H2O,La(NO3)3·6H2O,Ce(NO3)3·6H2O和NH4HCO3為主要原料,采用共沉淀法分別制備了La2O3和CeO2摻雜的ZTA復(fù)合粉體,通過(guò)TG-DTA、XRD、SEM等手段對(duì)粉體的熱行為、成分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;并分析了不同的前期處理工藝、煅燒溫度以及稀土氧化物種類(lèi)、含量對(duì)復(fù)合粉體性能的影響。分別采用傳統(tǒng)燒結(jié)和微波燒結(jié)

3、兩種方法制備了稀土摻雜ZTA復(fù)合陶瓷,通過(guò)研究組成和工藝對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能(維氏硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性)以及顯微結(jié)構(gòu)的影響,分析了稀土氧化物、燒結(jié)工藝對(duì)復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)與性能的影響,并探討了其相關(guān)機(jī)理。
　　 研究結(jié)果表明:采用共沉淀法成功的制備出了粒徑為100nm左右,分散性良好的稀土氧化物摻雜ZTA復(fù)合粉體。采用水熱處理和微波加熱方式,對(duì)于La2O3和CeO2摻雜ZTA復(fù)合前驅(qū)粉體,分別在1000℃和1200℃微波煅燒條件

4、下保溫5 min,得到了主晶相為t-ZrO2和α-Al2O3的復(fù)合粉體;La2O3和CeO2的摻雜可以影響ZTA復(fù)合粉體的相轉(zhuǎn)變溫度,并改變粉體的物相成分。比較傳統(tǒng)燒結(jié)與微波燒結(jié)兩種燒結(jié)方式以及不同燒結(jié)溫度下樣品的致密度和力學(xué)性能,探索出了最佳的燒結(jié)工藝:微波燒結(jié)1550℃,保溫30min。對(duì)于La2O3摻雜的樣品,當(dāng)La2O3含最為1.5mol％時(shí),樣品的相對(duì)致密度達(dá)到99%,且力學(xué)性能最佳,分別為硬度17.2Gpa,彎曲強(qiáng)度420M

5、pa,斷裂韌性7.1Mpa·m1/2,這主要是摻雜La2O3可以使ZTA材料內(nèi)部原位生成片狀LaAl11O18,這種片晶既可以阻礙氧化鋁、氧化鋯顆粒的長(zhǎng)大,也可以借助較大的長(zhǎng)徑比誘發(fā)裂紋橋接、晶粒拔出等增韌機(jī)制來(lái)改善材料的力學(xué)性能。對(duì)于CeO2摻雜的樣品,當(dāng)CeO2含量為0.5mol%時(shí),樣品的相對(duì)密度達(dá)到93%,且綜合力學(xué)性能最佳,分別為硬度16.27Gpa,彎曲強(qiáng)度450Mpa,這主要是由于CeO2的添加可以起到燒結(jié)助劑與穩(wěn)定劑的作