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多孔氧化锆陶瓷的制备及其性能的研究

陈士冰  
【摘要】: 多孔陶瓷由于兼有良好的机械性能、化学和热稳定性,作为一种绿色材料其过滤性能被广泛的应用,对它的研制具有很重要的现实意义。多孔陶瓷的制备方法和材质很多,各有千秋,本文通过添加有机造孔剂法制备了多孔氧化锆陶瓷,由于高温下氧化锆相变作用容易引起制品的过多收缩甚至开裂,因此对多孔氧化锆材料的制备条件的控制和制品完整性的研究需进一步探索。 首先以氯氧化锆为原料,氨水为沉淀剂,采用反向共沉淀法制备了3mol%钇稳定氧化锆(3YSZ)超细粉体,系统考察了锆液初始浓度、焙烧温度及pH对产物的影响。通过TG-DTA、XRD、粒度分析等测试方法,研究了前驱体的脱水、分解过程及粉体的相结构变化和晶粒大小,得出了制备3YSZ超细粉体的最佳工艺条件。结果表明:Y2O3的加入对粉体的晶粒大小和相组成影响显著;控制CZrO2≤0.2M,700℃焙烧处理后,可得高四方相含量的3YSZ粉体,粉体粒度D50为2.87um。 对所制3YSZ粉体的烧结性能进行研究,通过干压成型、无压烧结制备了氧化锆陶瓷,研究了Y2O3不同加入方式、烧结制度对材料相变、显微结构和力学性能的影响。结果表明,Y2O3以化学法加入得到的材料中可相变四方相含量高,随温度升高材料致密化程度不断增加,烧结温度为1500℃时,综合力学性能最高,抗弯强度为676MPa、硬度为11.3GPa、断裂韧性为8.9MPa·m1/2,此时材料的晶粒均匀且无异常长大现象、晶粒间结合紧密。 以淀粉为造孔剂,干压成型制备多孔氧化锆陶瓷。探索了已得致密氧化锆陶瓷的最优工艺在多孔氧化锆陶瓷制备上的传承性,该条件下添加40wt%淀粉,制品孔隙率为15.8%,抗折强度为80MPa。分析了造孔剂含量、烧结温度对孔结构和孔隙率的影响,结果表明:随造孔剂含量从10wt%增加到40wt%、烧结温度从1200℃到1500℃,氧化锆陶瓷的孔隙率在0.6%到63%之间变化,孔径范围在1um~8um,可以根据不同的需求选择不同的制备条件。 对淀粉的成孔机理进行分析,淀粉的溶胀可以有效地将陶瓷颗粒和淀粉粒粘合在一起,使得淀粉在整个体系中既充当造孔剂又能做造粒剂,简化了制备工艺,具有较好的应用前景。


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