添加氧化銅對鋯酸鋇陶瓷致密化影響的研究

孫曉瑋

關(guān)鍵詞：氧化銅;鋯酸鋇陶瓷;致密化

1引言

BaZrO3 屬于ABO3 鈣鈦礦型氧化物。完美的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)非常簡單，通式為ABO3，A 為一價(jià)或二價(jià)金屬，而B為四價(jià)或五價(jià)金屬。A 原子位于立方頂角，B 在體心，O在面心。由ABO3 鈣鈦礦型氧化物的結(jié)構(gòu)可知，BaZrO3 的晶胞結(jié)構(gòu)中Ba 為二價(jià)金屬，而Zr 為四價(jià)金屬。BaZrO3具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好，是一種良好的高溫應(yīng)用材料，是制造高溫超導(dǎo)體的良好基材。由文獻(xiàn)可知，BaZrO3 的理論密度為6.242g/cm3，具有較小的熱擴(kuò)散系數(shù)，熔點(diǎn)為2600℃。在對BaZrO3 性質(zhì)的研究過程中，由于BaZrO3 結(jié)構(gòu)的兼容性和化學(xué)穩(wěn)定性，BaZrO3可作為良好的高溫應(yīng)用基材，并在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如作為薄膜沉積的惰性底材，作為氧化物、非氧化物及貴金屬合金熔化和燒結(jié)試驗(yàn)的坩堝?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)BaZrO3可替代YSZ，用來作為超音速空氣射流的熱障涂層（TBC）材料。稀土摻雜BaZrO3 被證實(shí)是一種作為燃料電池固態(tài)電解質(zhì)的良好質(zhì)子導(dǎo)體。此外，有報(bào)道表明BaZrO3 也有可能成為濕度傳感器材料[1-3]。

多年來，科研人員曾用不同的方法試驗(yàn)如何增強(qiáng)BaZrO3 陶瓷的致密性。曾有文獻(xiàn)報(bào)道，Bi2O3 對陶瓷的燒結(jié)有促進(jìn)作用，但實(shí)驗(yàn)證明其對BaZrO3 陶瓷致密化并沒有什么影響[4]。資料顯示，ZnO 是對BaZrO3 陶瓷最有效的燒結(jié)助劑[5]。由于CuO 與ZnO 性質(zhì)相似，因此本文主要研究添加CuO 對BaZrO3 陶瓷致密化的影響。

2實(shí)驗(yàn)

2.1BaZrO3粉體制備

制備BaZrO3 粉體的試驗(yàn)方法很多，如固相法、液相法和Gel-casting 法。本文采用了方便，快捷，原料成本低的傳統(tǒng)固相反應(yīng)法[6]制備BaZrO3 粉體。以工業(yè)級BaCO3（純度大于99.5%）和ZrO2 （純度大于99.5%）為原料，按照（1）化學(xué)方程式的化學(xué)計(jì)量比稱量原料。將稱好的原料混合后，按質(zhì)量比1：1.5 加入蒸餾水，球磨4 小時(shí)后烘干，將其在1400℃下煅燒并保溫4 小時(shí)得到BaZrO3 粉體。

2.2添加BaZrO3陶瓷試樣制備

將上述合成的BaZrO3 粉體平均分為3 組，分別加入0mol%， 2mol%， 4mol%的CuO 共同置于球磨罐中，球磨4小時(shí)后再進(jìn)行烘干。通過冷等靜壓成型技術(shù)將3 組粉體制成圓片試樣，將其在1400℃下煅燒并保溫4 小時(shí)得到BaZrO3 陶瓷試樣，并對其分別進(jìn)行編號。

2.3試樣表征

用D8 ADVANCE 型X- 射線衍射儀對3 組陶瓷試樣進(jìn)行物相分析。用Sirion 200 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對3 組陶瓷試樣形貌進(jìn)行對比分析。用游標(biāo)卡尺、電子天平等儀器通過阿基米德法計(jì)算得到3 組陶瓷試樣的密度，通過測量計(jì)算其線性收縮率。結(jié)合上述三種測量方法得到添加CuO 對BaZrO3 陶瓷致密化影響的研究。

3結(jié)果與討論

3.1物相分析

如圖1 所示為CuO 添加量為0mol%， 2mol%， 4mol%的BaZrO3 陶瓷試樣在1400℃下煅燒并保溫4 小時(shí)后得到的XRD 圖譜。從圖1 可以看出，添加CuO 后的BaZrO3圖譜衍射峰與BaZrO3 標(biāo)準(zhǔn)圖（JCPDS74-1299）相一致，未見其他物相生成。

3.2密度、線性收縮分析

利用阿基米德法測量添加CuO 后的BaZrO3 陶瓷的密度。實(shí)驗(yàn)將3 組試樣分別置于干燥箱內(nèi)干燥至完全不含水分，稱其質(zhì)量（干重）為m0;然后將其置于水中完全浸泡并煮沸半小時(shí)，稱其在水中的質(zhì)量（浮重）為m1;拭去其表面水分后稱其質(zhì)量（濕重）為m2。

通過測量圓片試樣燒結(jié)前和燒結(jié)后的直徑分別為l0和l1。

圖2 可見大致規(guī)律，相對密度和線性收縮隨著CuO含量的不斷增加而增大。通過計(jì)算可得，未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷只能達(dá)到理論密度的64.8%，而CuO 添加量為4mol% 的BaZrO3 陶瓷試樣可以達(dá)到理論密度的80.2%。

3.3微觀形貌分析

圖3 為不同含量CuO 的BaZrO3 陶瓷試樣的掃描電鏡圖。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察陶瓷斷口的形貌、晶粒尺寸以及陶瓷的致密度。從圖3 可以看出，試樣晶粒尺寸隨CuO 含量的增加而增大，其致密程度依次升高。

4結(jié)論

本文研究并成功制備添加了不同含量的CuO 的BaZrO3 陶瓷試樣，其致密性明顯高于未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷。通過增加CuO 的添加量可以使BaZrO3 陶瓷試樣的相對密度和線性收縮率升高，氣孔率降低。因此，CuO 可以促進(jìn)BaZrO3 陶瓷的致密程度。