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复相陶瓷的结构与性能

刘小强  
【摘要】: 本论文系统地研究了压电第二相增韧复相陶瓷和复相电介质陶瓷的结构与性能,通过对Sr_2Nb_2O_7/3Y-TZP、Sr_2Nb_2O_7/ZTA、BaTiO_3/8Y-FSZ和Nd_2Ti_2O_7/8Y-FSZ的结构与力学性能,CaTiO_3/LaSrAlO_4的结构与介电性能,以及Sr_2Nb_2O_7/LaAlO_3的结构与力学和介电性能的分析和研究,掌握了上述复相陶瓷的结构与性能的关系,得到如下重要结论。 在3Y-TZP(3mol%yttria doped tetragonal zirconia polycrystal)陶瓷基体中引入Sr_2Nb_2O_7压电第二相,压电第二相能与基体稳定共存,而且它能影响3Y-TZP中的可相变四方氧化锆相的含量,综合压电第二相增韧和相变增韧的效果,在x=0.5mol%、烧结条件为1500℃/6h处,复相陶瓷的断裂韧性高达13.7MPa·m~(1/2),它是基体材料的2倍。同时,压电第二相增韧在相变缺位的情况下能使复相陶瓷的断裂韧性比基体提高40%,从实验上证实了该增韧机理的效果。 在ZTA(zirconia toughened alumina,45ZrO_2·55Al_2O_3)陶瓷基体中引入Sr_2Nb_2O_7压电第二相,第二相会与基体中的Al_2O_3发生反应生成具有板状晶的SrAl_(12)O_(19)相。由于晶粒桥联、相变增韧以及微裂纹增韧之间互相协调,复相陶瓷的断裂韧性得到了极大提高,特别是在x=0.5mol%。、烧结温度为1600℃处,复相陶瓷的断裂韧性达到了10.0MPa·m~(1/2),它是陶瓷基体的1.47倍。 在8Y-FSZ(8mol%yttria doped fully stabilized zirconia)陶瓷基体中引入BaTiO_3压电第二相,第二相能显著降低8Y-FSZ陶瓷的烧结温度。但是,由于基体中的Zr离子会置换BaTiO_3中的Ti离子,只有在x=0.05的时候才形成了菱方Ba(Ti_(1-x)Zr_x)O_3压电相,而在其它的条件下形成了无压电性的立方相。正是由于压电第二相增韧机制的存在,使得在1475℃烧结得到的0.05BaTiO_3/0.95(8Y-FSZ)复相陶瓷的断裂韧性高达6.08MPa·m~(1/2),它是陶瓷基体的1.9倍。 在8Y-FSZ陶瓷基体中引入Nd_2Ti_2O_7压电第二相,第二相能与8Y-FSZ陶瓷基体共存,而且也能够大幅度地降低8Y-FSZ陶瓷的烧结温度。在x=0.15、烧结温度为1525℃的复相陶瓷中用TEM观察到了典型的铁电畴,它的存在是压电第二相增韧的关键。因此,在综合压电第二相增韧、裂纹偏折以及可能存在的相变增韧的效果后,该成分的复相陶瓷的断裂韧性达到了7.97MPa·m~(1/2),这是8Y-FSZ 复相陶瓷的结构与性能 陶瓷基体的2.5倍。 在具有正介电常数温度系数的LasrAIO;陶瓷基体中引入具有负介电常数温 度系数的CaTIO3第二相,当第二相的添加量小于等于3Omol%的时候,两相能共 存,而当第二相添加量更大的时候,由于LaCaAIO4的分解而出现了具有正温度 系数的LaAIO3和CaO相。在1 500oC烧结1小时得到的复相陶瓷的介电常数和 介电损耗随着CaTi03的添加量的增加而单调上升,而介电常数温度系数则随着 添加量的增加是先下降,在x=0.4处有急剧地上升,然后继续下降,期间它经过 了从正变到近零再到负的过程。 在LaAIO3基体陶瓷中引入srZNbZO:压电第二相,第二相会与LaA103基体 发生反应生成无压电性的LaNbO4相。在LaNbO;第二相的铁弹畴的转动和裂纹 偏折作用下,在x二0.1、烧结温度为16O0oC处,复相陶瓷的韧性达到了最大值为 4.6 MPa·m’/2,它是基体陶瓷的1.4倍。另一方面,复相陶瓷的介电常数基本上不 随着第二相的含量的变化而变化,都在22一24之间。而复相陶瓷的Qf值着随着 第二相的含量的增加先增加到一个峰值然后会快速一「降,这是氧空位浓度和高介 电损耗第二相相互作用的结果。陶瓷的谐振频率温度系数的第二相含量的依赖性 与烧结条件有关,这主要是因为烧结条件决定了第二相的存在形态。 对线性压电陶瓷的力学分析结果表明,单纯的应力作用下压电效应对材料 的断裂韧性没有贡献。而在铁电陶瓷中的铁电畴的转动对材料的断裂韧性有很大 的贡献,通过类似的分析,作者得到了压电第二相增韧的畴变模型。该模型表明 了热应力对压电第二相增韧的影响很大,压电相在拉应力的作用下效果最好。由 该模型预测的复相陶瓷的断裂韧性比实验值小,这应该是忽略其它增韧机理引起 的。另一方面,首先利用几个经典介电复合法则及其求导形式分别对 CaTIO3/L asrAIO;复相陶瓷的介电常数和介电常数温度系数拟合,结果发现串连 模型符合得较好。


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