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氧化锆陶瓷薄片的制备研究

李树先  
【摘要】: ZrO_2具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下为导体等优良性质。在20世纪70年代出现了氧化锆陶瓷增韧材料,使氧化锆陶瓷材料的力学性能获得了大幅度的提高,极大的扩展了ZrO_2在结构陶瓷领域的应用。 本文采用干压成型后再进行冷等静压的技术,对含摩尔分数3%Y_2O_3的ZrO_2粉末进行成型,并探讨了不同条件下的常压烧结和热等静压烧结工艺对其致密化、显微组织和力学性能的影响,经过系统的测试与分析,得到了一个最佳的3Y-TZP陶瓷烧结致密化工艺。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及材料显微分析等分析手段,分析了3Y-TZP陶瓷的相组成、晶粒大小以及显微组织形貌等。通过对其相对密度、显微硬度和断裂韧性等性能进行测试,反映出采用最佳烧结工艺制得的3Y-TZP陶瓷材料具有优异的性能。 对烧结工艺的探讨结果表明:在常压烧结下,分别进行了1300℃×4h和1350℃×4h,以及1400℃×2h和1450℃×2h四个温度下的烧结,通过对四种烧成条件下得到的陶瓷样品进行致密度及力学性能的检测,对比得出,1350℃×4h是最佳的常压烧结工艺。为了获得优异的热等静压烧结工艺,在常压下对样品进行1350℃×4h预烧,然后在不同的压力和温度下对其进行热等静压处理,对各种热等静压条件下得到的陶瓷样品进行致密度及力学性能的检测,结果表明,在150MPa下,1300℃×1h是最佳的热等静压烧结工艺。 对性能测试的结果表明:3Y-TZP陶瓷在1350℃×4h烧结后获得最佳的力学性能,断裂韧性和维氏硬度分别达到18.7 MPa·m~(1/2)和13.7GPa;而在1350℃×4h预烧后,再在最佳的热等静压制度下处理,3Y-TZP相变增韧陶瓷的H_v和K_(IC)分别达到14.2GPa和17.7MPa·m~(1/2)。通过对实验结果的分析及讨论表明,3Y-TZP增韧陶瓷的断裂韧性和维氏硬度,是由材料的显微结构和ZrO_2相变增韧协同控制的。在ZrO_2相变增韧陶瓷材料断裂过程中,t-ZrO_2能否相变成单斜相m-ZrO_2还受到晶粒尺寸的影响。因此,对于一定的原始粉末,可以通过优化烧结参数或在高温下过烧退火处理的方法,来控制t-ZrO_2的晶粒尺寸,从而获得具有优良力学性能的Y-TZP增韧陶瓷。


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