放電等離子燒結(jié)工藝對(duì)Z r B2-Y A G陶瓷力學(xué)性能的影響

宋杰光王秀琴王偉元張小強(qiáng)馬永紅吳龍彪?yún)?婷張聯(lián)盟

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，九江：332005；2.九江學(xué)院圖書館,九江：332005；3.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢：430070）

放電等離子燒結(jié)工藝對(duì)Z r B2-Y A G陶瓷力學(xué)性能的影響

宋杰光1王秀琴2王偉元1張小強(qiáng)1馬永紅1吳龍彪1吳 婷1張聯(lián)盟3

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，九江：332005；2.九江學(xué)院圖書館,九江：332005；3.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢：430070）

ZrB2具有優(yōu)良的物理特性和化學(xué)穩(wěn)定性而應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但是ZrB2難以燒結(jié)致密和在高溫條件下容易被氧化。為了充分發(fā)揮ZrB2的優(yōu)點(diǎn)，改善ZrB2的缺點(diǎn)，本文采用共沉淀法制備殼核式Al2O3-Y2O3/ZrB2復(fù)合粉體，通過放電等離子燒結(jié)法制備高致密的ZrB2-YAG陶瓷。研究結(jié)果表明：燒結(jié)溫度由1300℃到1700℃時(shí)，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大；在20MPa前，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性隨著燒結(jié)壓力增大而逐漸增大；在保溫時(shí)間小于4min，陶瓷的楊氏模量和斷裂韌性隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

ZrB2，YAG，殼-核結(jié)構(gòu)，共沉淀法，放電等離子燒結(jié)

1 引言

ZrB2具有極高的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)電率，且導(dǎo)電率溫度系數(shù)為正，低的熱膨脹系數(shù)，好的化學(xué)穩(wěn)定性、捕集中子、阻燃、耐熱、耐腐蝕和輕質(zhì)等特殊性質(zhì)，因此，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[1-2]。ZrB2熔點(diǎn)高，難以燒結(jié)致密，純ZrB2的燒結(jié)需要2300℃以上的高溫。如何提高ZrB2陶瓷的致密度一直是一個(gè)研究的重點(diǎn)。近年來國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)二硼化鋯復(fù)合材料的燒結(jié)致密化工藝進(jìn)行了大量的研究工作[3-4]。

釔鋁石榴石簡(jiǎn)稱YAG，分子式為Y3A15O12，是由氧化釔和氧化鋁高溫下反應(yīng)生成的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的化合物。屬氧化物族，立方晶系。YAG熔點(diǎn)為1970℃，YAG晶粒之間沒有形變，因此表現(xiàn)出了很好的高溫蠕變特性，是目前所知抗蠕變性能最好的氧化物材料。其強(qiáng)度和韌性可以保持在其熔點(diǎn)附近而不降低。YAG直到1600℃時(shí)斷裂應(yīng)力變化都不大。YAG還具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，幾乎不被酸堿腐蝕。YAG在高溫氧化氣氛中也十分穩(wěn)定，保持100小時(shí)重量沒有任何變化。因此，YAG也被認(rèn)為是高溫結(jié)構(gòu)用材料的候選材料之一[5-8]。

雖然ZrB2具有優(yōu)良的物理特性和化學(xué)穩(wěn)定性而應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但是ZrB2難以燒結(jié)致密和在高溫條件下容易被氧化。為了充分發(fā)揮ZrB2的優(yōu)點(diǎn)，改善ZrB2的缺點(diǎn)，本文采用共沉淀法制備YAG前驅(qū)體A1(OH)3-Y(OH)3包覆ZrB2粉體，最終得到包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復(fù)合粉體作為制備高致密具有殼-核結(jié)構(gòu)的YAG-A12O3/ZrB2高溫復(fù)相陶瓷。

2 試驗(yàn)

2.1 陶瓷的制備

采用日本住友石炭礦業(yè)株式會(huì)社制造的放電等離子燒結(jié)爐(SPS-1050)進(jìn)行ZrB2-YAG陶瓷的燒結(jié)研究。具體燒結(jié)步驟為：將A12O3-Y2O3/ZrB2復(fù)合粉體(圖1)裝入石墨模具并放入SPS燒結(jié)爐中，真空度小于20Pa，加壓，升溫速度為100℃/min進(jìn)行燒結(jié)并保溫，保溫完畢后試樣隨爐冷卻。用透射電鏡(型號(hào)：TEM JEM-2010,Japan)分析復(fù)合粉體的外觀形貌。

采用高精密磨床對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨拋光，并用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗，烘干得到備用試樣(Ф20mm)(圖 2)。

2.2 陶瓷性能測(cè)試

采用超聲波脈沖回波法對(duì)試樣的橫波和縱波聲速進(jìn)行測(cè)試，并通過公式1對(duì)楊氏模量進(jìn)行計(jì)算。所使用的測(cè)量?jī)x器為超聲信號(hào)發(fā)生接收器 (型號(hào)：Panametrics 5072PR)和示波器(型號(hào)：TD S2022)。

式中：E為楊氏模量，ρ為試樣密度，Ct為橫波聲速，Cl為縱波聲速。

材料的斷裂韌性采用壓痕法進(jìn)行測(cè)試，儀器為HX-1000顯微硬度計(jì)(上海泰明光學(xué)儀器有限公司)，其計(jì)算公式2所示。

式中：KIC為斷裂韌性，E為楊氏模量，HV為維氏硬度，P為壓力，C為裂紋半長(zhǎng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 燒結(jié)溫度的影響

圖3和圖4是燒結(jié)溫度與陶瓷力學(xué)性能之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度都隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。燒結(jié)溫度由1300℃到1700℃時(shí)，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大。這主要是由于在此過程中陶瓷內(nèi)部正處于致密化過程，使得陶瓷的致密度有了很大的提升。1800℃與1700℃相比，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性沒有明顯變化。這主要是因?yàn)?800℃與1700℃相比，陶瓷致密化程度變化不明顯。因此確定陶瓷燒結(jié)溫度為1700℃。

3.2 燒結(jié)壓力的影響

圖5和圖6是燒結(jié)壓力與陶瓷力學(xué)性能的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在20MPa前，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結(jié)壓力增大而逐漸增大。隨著燒結(jié)壓力增大，陶瓷致密度升高，使陶瓷中具有少量細(xì)小孔隙(圖7)，它們能夠在陶瓷產(chǎn)生裂紋時(shí)起到鈍化裂紋擴(kuò)展的作用[9-10]。在20MPa后，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結(jié)壓力增大增量不多。因?yàn)樵诖?0MPa后，陶瓷的致密度程度變化不明顯。因此可確定燒結(jié)壓力為20MPa。

3.3 保溫時(shí)間的影響

圖8和圖9是保溫時(shí)間與陶瓷力學(xué)性能之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在保溫時(shí)間小于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；保溫時(shí)間大于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)增大較小。因此，確定保溫時(shí)間為4min。保溫4min，陶瓷的楊氏模量和斷裂韌性分別為430GPa和3.76MPam1/2。

4 結(jié)論

(1)陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度都隨著燒結(jié)溫度的升高而增大。燒結(jié)溫度由1300℃到1700℃時(shí)，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大。而1800℃與1700℃相比，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性沒有明顯變化。

(2)在20MPa前，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結(jié)壓力增大而逐漸增大。在20MPa后，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結(jié)壓力增大增量不多。

(3)在保溫時(shí)間小于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；保溫時(shí)間大于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)增大較小。

1 Fahrenholtz W G.The ZrB2volatility diagram.J.Am.Ceram.Soc.,2005,88:3509～3512

2 宋杰光,紀(jì)崗昌,李世斌等.ZrB2-YAG陶瓷的燒結(jié)致密化研究.硅酸鹽學(xué)報(bào),2009,37(4):102～106

3 宋杰光,羅紅梅,杜大明等.二硼化鋯陶瓷材料的研究及展望.材料導(dǎo)報(bào),2009,23(2):43～46

4 宋建榮,劉蓓蓓,李俊國(guó).ZrB2/ZrO2復(fù)合粉體的放電等離子燒結(jié)行為.硅酸鹽學(xué)報(bào),2002,30(4):486～490

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10 Xu C H.Preparation and performance of an advanced multiphase composite ceramic material.J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25:605～611

EFFCT OF SPARK PLASMA SINTERING TECHNOLOGY ON THE MECHANICAL PROPERTY OF ZrB2-YAG CERAMICS

Song Jieguang1Wang Xiuqin2Wang Weiyuan1Zhang Xiaoqiang1Ma Yonghong1Wu Longbiao1Wu Ting1Zhang Lianmeng3
(1.School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005;2.Library of Jiujiang University,Jiujiang 332005;3.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

Because ZrB2has some excellent physical performance and chemical stability,it has been widely applied in a lot of fields,but ZrB2is too difficult to be densified during sintering and easy to be oxidized at high temperature.To keep advantages and improve disadvantages of ZrB2,A12O3-Y2O3/ZrB2composite powders with shell-core structure are prepared by co-precipitation,and then high density ZrB2-YAG ceramics are prepared by spark plasma sintering.Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are increased by increasing sintering temperature from 1300℃ to 1700℃.When the sintering pressure is less than 20MPa,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the sintering pressure.When the holding time is less than 4 min,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the holding time.

ZrB2,YAG,shell-core structure,co-precipitation method,spark plasma sintering

on Oct.23,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0195-04

2009-10-23

江西省教育廳青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ09595）,江西省高校省級(jí)教改項(xiàng)目（編號(hào)：JXJG-09-17-6），九江學(xué)院大學(xué)生自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

宋杰光，E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn

Song Jieguang,E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn