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MgO+Y-TZP/Al_2O_3复合材料性能的研究

林衡  
【摘要】: 本文系统的研究了ZTA复合材料的力学性能和磨擦磨损性能。采用共沉淀法制备了Mg(OH)2、Y(OH)3、Zr(OH)4混合凝胶,再采用包裹沉淀法加入80 wt%,85 wt%的国产高纯纳米氧化铝粉料制备了MgO+Y-TZP/Al2O3复合粉体,研究了复合粉体的合成条件和煅烧温度对ZrO2的晶粒尺寸和复合粉体相组成的影响。经干压和200 MPa等静压成型,1550℃- 1650℃常压下烧成后,对ZTA复合材料相对密度、力学性能、磨擦磨损性能进行了研究。 采用正交实验设计,研究各组分对ZTA复合材料性能影响的大小,结果表明γ-Al2O3对促进基体烧结、提高材料力学性能方面影响较小。 利用XRD对所制备的ZTA复合材料进行表征。发现粉体中ZrO2经Y2O3稳定在常温下均可保持为四方相,且晶粒尺寸较小,约11 nm。烧成的ZTA陶瓷材料抛光表面和断面均有不同程度的m-ZrO2出现,说明抛光和断裂过程中,复合材料受到应力作用,诱导相变发生。 采用阿基米德法测定了ZTA复合材料的相对密度,结合SEM、EDS等先进测试手段对复合材料进行表征。发现ZTA陶瓷材料的相对密度随着烧成温度的升高而升高,但在1600℃烧成后都基本已经烧结,相对密度达到97%以上,晶间相ZrO2、MgAl2O4均匀分散在基体之间,钉扎、抑制Al2O3晶粒的生长,优化材料的力学性能。研究了烧成温度和物相组成对ZTA复合材料力学性能的影响,以及复合材料的增韧机理。随着烧成温度的升高,复合材料的力学性能均提高,1600℃烧成时性能最优。但烧成温度高于1600℃时,导致晶粒过分长大,力学性能反而有所下降;ZrO2和MgO的加入均能促进烧结、抑制基体晶粒的生长,高ZrO2和MgO含量容易形成晶间型结构,对Al2O3晶粒生长的抑制作用更明显,陶瓷显微组织均匀细化,有利于提高复合材料的力学性能。0.8MgO+2.5Y-TZP/Al2O3(80% Al2O3)在1600℃烧成后复合材料的力学性能最好,其中抗弯强度达548 MPa,断裂韧性高达13.6 MPa·m1/2,维氏硬度达17.3 GPa;研究同时表明应力诱导相变增韧,微裂纹增韧以及第二相弥散增韧的综合作用是ZTA复合材料主要的强韧化机理。ZrO2的含量提高,有利于增大相变量,起到增强增韧的作用。 显微结构以及硬度和断裂韧性共同影响ZTA复合材料磨擦磨损性能。晶粒细小均匀,气孔率低,晶间结合致密以及高硬度和高断裂韧性均能提高复合材料的耐磨性能。经1600℃烧结的ZTA复合材料磨损率均在10-8 (mm3/Nm)数量级,耐磨性能好。


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