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ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的力学性能的研究

王玉春  
【摘要】: 本文介绍了陶瓷基复合材料(CMC)基本概念及制备工艺,特别综述了ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的特点及目前国内外的研究现状,发现该系材料的性能业已得到了极大的提高。然而,性能优良的ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷大多以湿化学法制备的超细高纯的均匀分散的活性粉末为原料,采用热压、热等静压等烧结工艺来获得的,其成本高,而且对工艺过程及设备要求都很高。本文用工业氧化锆和工业氧化铝,通过超细化球磨处理,控制起始粉料的颗粒度,采用常规的工艺方法制备复相陶瓷,研究不同制备工艺对ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的烧结性能、力学性能及显微结构的影响,以期用低成本制备出高性能的ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷。 采用工业原料来制备低成本高性能的ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的关键是选用合适的工业氧化锆和氧化铝原料。通过对不同原料的起始颗粒度及其易磨性的研究发现,原料氧化锆G和氧化铝A3经过最佳工艺条件为:料球比1:4,球磨时间分别为6h和8h的分别研磨工艺超细化处理后可以得到粒径细小、分散性及活性较好的粉料。 研究发现,通过控制稳定剂Y2O3以及第二相弥散颗粒Al_2O_3的含量、采用不同来源的原料、改善球磨工艺及烧成制度,控制材料的显微结构,可实现低成本制备高性能材料的目的。在Al_2O_3的含量为20wt%,Y2O3的含量为3.5mol%,1600℃烧成,保温2小时的最佳工艺条件下可以得到致密化程度高、力学性能优良的ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷,其抗弯强度和断裂韧性分别为:676.7MPa、10MPa?m1/2,其值接近湿化学法制备的复相陶瓷的力学性能。 用XRD研究了烧结体的相组成。从相组成分析可以看出,烧结体中只含ZrO_2和Al_2O_3晶相,随着Y2O3稳定剂含量的增加,烧结体内的单斜相含量逐渐减少,但是,根据相图分析可知,过量的稳定剂的加入,提高了立方相的含量,使得发挥应力诱导相变的亚稳态四方相含量降低,从而降低烧结体的力学性能,当Y2O3稳定剂含量为3.5mol%时,可得到性能较佳的烧结体;当Al_2O_3含量为20wt%时,烧结体内的单斜相含量最小,约占ZrO_2含量的32%。表明适量的Al_2O_3可以充分发挥抑制ZrO_2晶粒的长大,使其大部分小于临界相变尺寸,从而使得大 WP=7 部分的四方相氧化锆以亚稳态保留到室温,提高相变增韧的作用效果。 用SEM研究了ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的显微结构。电镜观察表明, Al_2O_3含量为0、10wt%时,ZrO_2的晶粒相对较大,分别约为1~2um、1.5~2um;Al_2O_3含量为40wt%时,复相材料明显没烧结,有大量尺寸为8~10um的气孔;当Al_2O_3含量为20wt%时,材料烧结致密,未见到明显的缺陷、孔洞,ZrO_2、Al_2O_3 晶粒发育生长良好。ZrO_2的晶粒相对较小,约为1~1.5um,较多晶粒小于1um ,Al_2O_3在ZrO_2基质中分散较为均匀,团聚较少,其晶粒尺寸为3~5um。分析结果表明,加入适量的氧化铝可以均匀地分散在氧化锆基体中,不仅对氧化锆晶粒的生长起抑制作用,而且还可以起到颗粒弥散强化的作用,提高ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的各项性能。 根据相组成和显微结构的分析,初步探讨了ZrO_2-Al_2O_3系复相陶瓷的增韧机理。研究认为,该系材料的高强高韧性能可归结为ZrO_2的应力诱导相变增韧和Al_2O_3颗粒的弥散增韧叠加作用的结果。


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