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ZrO_2/LaPO_4复相陶瓷的抗热震性能研究

李中秋  
【摘要】: 针对氧化锆陶瓷的耐侵蚀性能与抗热震性能在拓展其应用方面的矛盾,以及传统抗热震理论的不足,以三种具有不同相组成的氧化锆(3Y-TZP、4Y-TZP和Mg-PSZ)为基体材料,加入LaPO_4组分,探索利用片晶LaPO_4的解理以及LaPO_4与ZrO2之间的弱界面对裂纹扩展能量的耗散,在不明显降低氧化锆陶瓷优良力学性能、致密度(以保证其抗侵蚀性能)的条件下,改善其抗热震性能的可能性。在力学性能、热学性能、显微结构及裂纹扩展状态研究的基础上,分别用淬冷-强度法和压痕-淬冷法,较系统地研究了ZrO2/LaPO_4复合陶瓷的抗热震性能及相关机理,主要得出如下结论: 4Y-TZP陶瓷的抗热震性能随LaPO_4加入量的增加而升高。4Y-TZP/30vol% LaPO_4复合陶瓷的临界抗热震温差比单一4Y-TZP陶瓷提高了400 oC。 氧化锆粒度为0.5μm和1.5μm时,对于单一4Y-TZP,粒度小的抗热震性较好;LaPO_4加入量小于15vol%时,两种粒度氧化锆陶瓷的抗热震性能相近;LaPO_4加入量为20vol%时,氧化锆粒度大的材料抗热震性较好。 LaPO_4加入量保持15vol%不变, 1470 oC保温2h烧结时,加入粒度为13μm或35μm LaPO_4的3Y-TZP/LaPO_4复相陶瓷的抗热震性能较高;1470 oC保温3h烧结时,加入2.5μm的LaPO_4,3Y-TZP/LaPO_4复相陶瓷的抗热震性能最好,其空气淬冷下的临界抗热震温差为1300 oC。 LaPO_4的添加促进了Mg-PSZ材料的致密化,并改善了其抗热震性能。Mg-PSZ/10 vol%LaPO_4复相材料的水淬临界抗热震温差比单一Mg-PSZ材料提高了100oC。Mg-PSZ/15 vol%LaPO_4复相材料的强度随热震温差的提高没有明显下降,表现了很好的抗热震损伤能力。 相同热震条件下,加入15vol%、40μm LaPO_4的3Y-TZP/LaPO_4复相陶瓷,其裂纹扩展数量百分比和裂纹扩展长度百分比都最小。而加入30 vol%、13μm LaPO_4的3Y-TZP/LaPO_4复相陶瓷的相应值都最大。 ZrO2/LaPO_4复相陶瓷的抗热震性能不能由传统抗热震参数的大小来准确预测。弱界面开裂、裂纹在弱界面处的偏转、分叉以及LaPO_4的解理等分散了热应力、耗散了热震作用积聚在陶瓷体内的弹性应变能,这是ZrO2/LaPO_4复相陶瓷具有较高抗热震性能的主要原因。


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