添加ZrSiO4制備Al2O3/ZrO2/莫來石復(fù)相陶瓷的組織及力學(xué)性能研究

趙龍江，?？烧谩∪?，黃治文，曾德軍

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安　710064；2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710049)

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添加ZrSiO4制備Al2O3/ZrO2/莫來石復(fù)相陶瓷的組織及力學(xué)性能研究

趙龍江1，桑可正1，雒融1，黃治文1，曾德軍2

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064；2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049)

將一定質(zhì)量的硅酸鋯和氧化釔加入無水乙醇濕法研磨、干燥后,加入Al2O3陶瓷粉料中，1550 ℃常壓燒結(jié)，保溫3h,制得陶瓷。研究所制備陶瓷的微觀組織及其力學(xué)性能。結(jié)果表明：添加ZrSiO4之后，陶瓷中生成了t-ZrO2，ZrO2相變時的體積效應(yīng)彌補(bǔ)了部分氣孔，使復(fù)相陶瓷氣孔減少，致密度提高；界面生成的ZrO2改變了材料的斷裂方式，使材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、抗熱震性能都得到明顯的改善。

氧化鋁陶瓷； 硅酸鋯； 氧化釔； 力學(xué)性能； 微觀組織

1　引　言

氧化鋁陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)異的性能，而且原料來源廣泛、價格低廉，在電子、航空、機(jī)械、紡織、建筑等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。然而氧化鋁陶瓷的抗熱震性能和抗金屬沖刷能力較弱[2],某些工礦條件下(如熔融金屬過濾器),必須對其性能進(jìn)行改善。在氧化鋁陶瓷中添加氧化鋯，形成復(fù)相陶瓷是提高其性能的有效途徑之一[3,4]，鐘金豹等[5]利用納米氧化鋯的相變增韌來提高氧化鋁基體的綜合力學(xué)性能，結(jié)果表明復(fù)合刀具材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單相氧化鋁材料。王志等[6]通過莫來石纖維和納米氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，研究表明：復(fù)合材料晶粒細(xì)化、力學(xué)性能顯著提高。通常氧化鋯是將硅酸鋯經(jīng)過復(fù)雜的提純工藝獲得的，因此成本巨大[7]。Arno等[8]利用商業(yè)硅酸鋯粉末，通過添加不同比例的莫來石粉末直接燒結(jié)制備了氧化鋯/莫來石復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和斷裂特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：莫來石的存在有助于硅酸鋯的熱分解，氧化鋯的產(chǎn)生通過多種機(jī)制對復(fù)合材料的力學(xué)性能和斷裂特性發(fā)揮作用。

本研究依據(jù)硅酸鋯在高溫下容易分解為氧化鋯和二氧化硅的特點(diǎn)，在硅酸鋯中加入晶型穩(wěn)定劑氧化釔，以無水乙醇為介質(zhì)濕法研磨、干燥后，添加于氧化鋁陶瓷粉料中，制備氧化鋁/氧化鋯/莫來石復(fù)相陶瓷?？疾焖纬蓮?fù)相陶瓷的微觀組織及力學(xué)性能，為低成本制備氧化鋁/氧化鋯/莫來石復(fù)相陶瓷提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2　實(shí)　驗(yàn)

表1　陶瓷的原料組成

采用Archimedes排水法測量試樣的顯氣孔率、體積密度。采用三點(diǎn)彎曲法測量試樣的抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為：5mm×5mm×30mm，跨距為16mm。用單邊切口梁法測量試樣的斷裂韌性，試樣尺寸為：2mm×4mm×30mm,跨距為16mm。為測試材料抗熱震性能，將試樣在1200 ℃，保溫5min,空冷，并重復(fù)操作，以觀測到試樣出現(xiàn)龜裂紋的循環(huán)次數(shù)與熱震后試樣的抗彎強(qiáng)度共同表征試樣的抗熱震性能。采用D8ADVANCE型X射線衍射儀分析樣品的物相組成，用S-4800型掃描電子顯微鏡分析樣品的顯微結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)果與討論

3.1復(fù)相陶瓷的組成與組織

圖1　試樣的XRD圖譜(a)S1；(b) S2Fig.1　XRD patterns of the sample(a)S1；(b)S2

圖1中a、b分別是S1和S2試樣的XRD圖譜。可以看到，S1的物相中只有α-Al2O3和莫來石相，而S2中由于添加了ZrSiO4，除α-Al2O3、莫來石相外，生成了氧化鋯相；值得注意的是：由于氧化釔的作用，部分氧化鋯得到穩(wěn)定，即組成相中存在四方氧化鋯。

圖2中a、b分別是S1和S2試樣的組織照片?？梢钥吹?，未添加ZrSiO4之前,氧化鋁陶瓷中孔洞較多。圖2c、d分別為b中譜圖2點(diǎn)和譜圖1點(diǎn)的能譜分析結(jié)果，可知，氧化鋯顆粒彌散分布于氧化鋁顆粒的晶界處。因此，可以認(rèn)為，添加ZrSiO4之后，其在高溫分解產(chǎn)生的第二相氧化鋯顆粒彌散分布于氧化鋁顆粒的晶界處，在燒結(jié)冷卻過程中四方氧化鋯向單斜氧化鋯發(fā)生相變，體積膨脹，使復(fù)相陶瓷孔洞明顯減少。

圖2　試樣的組織形貌及能譜分析(a)S1；(b)S2Fig.2　Morphology of microstructure and EDS results of the samples(a)S1;(b)S2

3.2復(fù)相陶瓷的性能

試樣的顯氣孔率、體積密度、抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性測試結(jié)果如表2所示。

表2　試樣的性能

由表2可知：S2較S1的氣孔率下降明顯。可以認(rèn)為，復(fù)相陶瓷中生成的氧化鋯相變時的體積效應(yīng)，使材料的致密度提高。圖3a、b為兩種材料的斷口形貌，也表明復(fù)相陶瓷材料的氣孔明顯減少?？梢哉J(rèn)為，在復(fù)相陶瓷中，由于氧化釔的作用，Y3+與Zr4+原子半徑相近，Y3+在高溫下進(jìn)入晶格取代Zr4+形成置換式固溶體，在這種情況下晶格將會產(chǎn)生畸變，材料的燒結(jié)隨著缺陷的增加而得到促進(jìn)，使材料的致密度也隨之增加，氣孔率下降[10]。

由表2可知：S2較S1的斷裂韌性及抗彎強(qiáng)度明顯提高。通常認(rèn)為，在應(yīng)力作用下t-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變發(fā)生馬氏體相變，引起體積膨脹，而相變的剪切應(yīng)力和體積膨脹對基體產(chǎn)生壓應(yīng)變，抑制主裂紋擴(kuò)展，從而提高了斷裂韌性[11]。復(fù)相陶瓷材料中，氧化鋯的相變導(dǎo)致體積膨脹，同時進(jìn)一步彌補(bǔ)了部分氣孔，而材料的氣孔率減少使彈性模量和強(qiáng)度提高。氣孔的增多不僅減少了材料的負(fù)荷面積，而且應(yīng)力集中在氣孔周圍，減弱了材料的負(fù)荷力，所以致密度越高，負(fù)荷面積越大，宏觀表現(xiàn)為抗彎強(qiáng)度越大。此外，S2中加入的ZrSiO4在高溫下分解產(chǎn)生的ZrO2顆粒分布在Al2O3顆粒的晶界處，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到ZrO2顆粒時，由于釘扎效應(yīng)可以使裂紋偏轉(zhuǎn)吸收大量能量，有利于復(fù)相陶瓷材料力學(xué)性能的提高。

圖3中c、d分別是S1和S2試樣的斷口形貌。由圖3c、d可以看到，S1試樣斷裂的方式主要為沿晶斷裂，而S2為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合的斷裂模式。由能譜分析結(jié)果(圖3e)可知，譜圖1主要元素為Zr和O，因此，穿晶斷裂發(fā)生在分布于Al2O3顆粒晶界處的ZrO2顆粒上。因此，S2中加入的ZrSiO4在高溫下產(chǎn)生的t-ZrO2，強(qiáng)化了界面結(jié)合能，改變了試樣的斷裂模式，使試樣由沿晶斷裂改變?yōu)檠鼐嗔雅c穿晶斷裂混合的斷裂模式，提高了斷裂的臨界應(yīng)力，所以材料的抗彎強(qiáng)度得到提高。

圖3　試樣的斷口形貌及能譜分析(a)S1;(b)S2;(c)S1;(d)S2;(e)S2Fig.3　Fracture morphology and EDS result of the specimen (a)S1;(b)S2;(c)S1;(d)S2;(e)S2

3.3抗熱震性能

圖4為S1和S2的抗熱震次數(shù)和熱震后的抗彎強(qiáng)度， 由圖可知：S2較S1的抗熱震性能有所提高。由于S2中添加的ZrSiO4在高溫下分解產(chǎn)生了t-ZrO2和m-ZrO2，在熱應(yīng)力作用下t-ZrO2向m-ZrO2發(fā)生馬氏體相變，相變時產(chǎn)生的體積效應(yīng)緩解了熱震時產(chǎn)生的熱應(yīng)力，削弱了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力，另外相變增韌提高了陶瓷的強(qiáng)度和韌性，故S2較S1熱震性能有所提升。

圖4　復(fù)相陶瓷的抗熱震性能(a)熱震次數(shù)；(b)熱震后抗彎強(qiáng)度Fig.4　Properties of the thermal shock(a)number of thermal shock；(b)residual flexural strength of the sample

4　結(jié)　論

(1) 將硅酸鋯和氧化釔濕法研磨、干燥后加入Al2O3陶瓷粉料中，采用1550 ℃常壓燒結(jié)，保溫3h,可以制得含有t-ZrO2的Al2O3陶瓷；

(2)在應(yīng)力作用下，Al2O3陶瓷中生成的t-ZrO2向m-ZrO2發(fā)生馬氏體相變，對Al2O3陶瓷起到相變增韌的作用；

(3)ZrSiO4在高溫下產(chǎn)生的t-ZrO2，分布在Al2O3顆粒的晶界處，強(qiáng)化了界面結(jié)合能，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到ZrO2顆粒時，由于釘扎效應(yīng)可以使裂紋偏轉(zhuǎn)吸收大量能量，使Al2O3陶瓷的斷裂方式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔雅c穿晶斷裂混合的斷裂模式，提高了斷裂的臨界應(yīng)力，使材料的強(qiáng)度、韌性得到提高。

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MicrostructureandMechanicalPropertiesofAl2O3/ZrO2/MulliteCompositeCeramicsPreparedbyDopingwithZrSiO4

ZHAO Long-jiang1,SANG Ke-zheng1,LUO Rong1,HUANG Zhi-wen1,ZENG De-jun2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.TheStateKeyLaboratoryforMechanicalBehaviorofMaterials,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Aluminaceramicdopingwithamassofyttriumoxideandzirconiumsilicate,whichwereexperiencedawet-grindinginethanol,anddrying,wassinteredat1550 ℃for3h.Themicrostructureandmechanicalpropertiesofthecompositeceramicwerestudied.Theresultsshowedthatbothm-ZrO2andt-ZrO2wereproducedinthecompositeduetoadditionofZrSiO4.ThevolumeeffectofZrO2phasetransformationdecreasedtheporesandincreasedthedensityofthecomposite.Theflexuralstrength,fracturetoughnessandthermalshockresistanceofthecompositehavebeensignificantlyimprovedbecauseofthechangesofthefracturemodeduetoformationofZrO2attheboundariesofalumina.

aluminumoxideceramics;zirconiumsilicate;yttriumoxide;mechanicalproperty;microstructure

趙龍江(1991-)，男，碩士研究生.主要從事陶瓷/金屬復(fù)合材料方面的研究.

?？烧┦?，教授.

TQ174

A

1001-1625(2016)01-0275-05