特種陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鋯增韌陶瓷PPT課件

1、一、ZrO2的性質(zhì) 含鋯的礦石，在自然界中主要有兩種：斜鋯石（ZrO2）和鋯英石（ZrO2SiO2）。ZrO2是由含鋯礦石提煉出來的。 較純的ZrO2粉呈黃色或灰色，高純的ZrO2粉呈白色。ZrO2的密度為5.49g/cm3 ，熔點(diǎn)為2715 。二、 ZrO2的結(jié)晶形態(tài)和晶形轉(zhuǎn)化n在不同溫度下，以三種同質(zhì)異形體(allomorphish)存在，即單斜晶系(monoclinie system，m- ZrO2)、四方晶系(taragonal system，t- ZrO2)、立方晶系(cubie system，c- ZrO2)。三種晶型的ZrO2密度為：單斜型為5.65g/cm3 ，四方型為6.10

2、g/cm3 ，立方型為6.27g/cm3 。第1頁/共31頁v其轉(zhuǎn)化如下：單斜ZrO2 四方ZrO2 立方ZrO2 液相 上述3種晶型之間可以相互轉(zhuǎn)化。由單斜相向四方相轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)伴隨有7%左右的體積變化。加熱時(shí)由單斜- ZrO2 四方- ZrO2 ，體積收縮。冷卻時(shí)由四方- ZrO2 單斜- ZrO2 ，體積膨脹。但這種收縮與膨脹并不發(fā)生在同一溫度，前者約在1200 ，后者約在1000 。11702370 2715 第2頁/共31頁 三、 ZrO2陶瓷制造工藝u純ZrO2制品往往在生產(chǎn)過程（從高溫到室溫的冷卻過程）中會(huì)發(fā)生t- ZrO2 轉(zhuǎn)變?yōu)閙-Z rO2 的相變，并伴隨著體積變化產(chǎn)生裂紋，甚

3、至碎裂，因此無多大的工程價(jià)值。u后來通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑，如Y2O3、MgO、CaO、CeO等， 可使ZrO2變成無異常膨脹、收縮的穩(wěn)定ZrO2。利用穩(wěn)定和部分穩(wěn)定的ZrO2 備料，能獲得性能良好的ZrO2陶瓷。Y2O3 PSZ（ Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2 ）是將原來穩(wěn)定ZrO2所需的Y2O3量從8mol%以上減少到34mol%。據(jù)報(bào)道， Y2O3含量為3mol%的組成能明顯提高ZrO2陶瓷的強(qiáng)度。uZrO2陶瓷成型可采用注漿法或干壓法成型。注漿成型時(shí)，可向ZrO2細(xì)粉中加入少量的阿拉伯樹膠（濃度為10%的約7%）和20%左右的蒸餾水，具有良好的注漿性能漿料。u采用熱壓法可制得透明

4、ZrO2陶瓷。燒成溫度為16501800 ，保溫24小時(shí)。第3頁/共31頁部分PSZPSZ材料的強(qiáng)度和斷裂韌性穩(wěn)定劑成分四方相含量(%)KIC (MPa.m1/2)強(qiáng)度(MPa)晶粒(mm)MgO 3%409.565060MgO 9%40960080(CaO+MgO) 10mol%105.636060CaO 3.7%406.864580Y2O3 6%305.9600Y2O3 2.5mol%976.47001Y2O3 3mol%3091400第4頁/共31頁四、 ZrO2的性能與應(yīng)用 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年世界ZrO2的銷售額約為450億美元，其中日本占41%42%，而居世界第2位的美國僅占22%左

5、右。目前，日本在原料粉體的制造、電子陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷方面居世界領(lǐng)先地位。1. ZrO2結(jié)構(gòu)陶瓷(1)由于ZrO2陶瓷耐火度高，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)小，因此是理想的高溫絕緣材料；化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫時(shí)仍能抗酸性和中性物質(zhì)的腐蝕。 ZrO2坩堝可用于冶煉金屬及合金，如鉑、銣、銠等的冶煉和提純。第5頁/共31頁(2)部分穩(wěn)定ZrO2具有高的硬度和耐磨性，因此ZrO2在磨介和磨具領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。如球磨球、球磨機(jī)內(nèi)襯和耐磨部件、拉絲模等。由于氧化鋯沒有磁性、不導(dǎo)電、不生銹、耐磨，因此在生物醫(yī)學(xué)器械領(lǐng)域和刀具、工具領(lǐng)域中應(yīng)用很廣，可制作人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、人工牙齒等。u近來部分穩(wěn)定ZrO2通過粉末冶金方法，制

6、備手表殼、耐腐蝕的表件和其它儀表零件。也可以用來制作菜刀、剪刀、螺絲刀、榔頭、鋸、斧頭等等。日本近來開發(fā)出高鈰氧化鋯增韌陶瓷刀具，復(fù)合物用Ce2O3作穩(wěn)定劑， 以取代金屬陶瓷，斷裂韌性是金屬的3倍，切削能力提高1.5倍。第6頁/共31頁 (3)微型風(fēng)扇軸心 噪音和壽命長期以來是決定微型冷卻風(fēng)扇性能的重要因素。噪音令人煩躁，壽命則關(guān)系到風(fēng)扇的可靠性，而軸承系統(tǒng)則是決定上述兩項(xiàng)性能的關(guān)鍵因素。 氧化鋯陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫及耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，用在冷卻風(fēng)扇軸承系統(tǒng)，制得的氧化鋯軸心，在噪音穩(wěn)定性、耐磨性、使用壽命等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)軸心。該軸心主要用于電腦機(jī)殼散熱器和中央處理器（CPU）

7、的微型散熱風(fēng)扇上。2003年夏季，臺(tái)灣電腦公司富士康率先推出了采用這種陶瓷軸承系列電腦散熱風(fēng)扇。第7頁/共31頁 2. ZrO2功能陶瓷uY2O3的ZrO2陶瓷具有敏感的電性能，是近幾年來發(fā)展的新材料，主要應(yīng)用于各種傳感器、第三代燃料電池和高溫發(fā)熱體等。而且ZrO2材料高溫下具有導(dǎo)電性及晶體結(jié)構(gòu)存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。（1）氧傳感器。傳感器主要用于工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控、品質(zhì)檢驗(yàn)，用來提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高產(chǎn)品的性能。目前氧化鋯傳感器已大量應(yīng)用于鋼鐵制造過程中，用來測量熔融鋼水及加熱爐所排放氣體的含氧量，從而了解鋼鐵制造過程中鋼鐵的品質(zhì)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。（2）固體氧化物燃料電池（3）

8、高溫發(fā)熱體。ZrO2室溫電阻極高，比電阻高達(dá)1013m ，但當(dāng)溫度升至600 時(shí)，即可導(dǎo)電，1000 時(shí)具有導(dǎo)體的性能。目前已將它成功地用于2000 以上氧化氣氛下的發(fā)熱元件及其設(shè)備中。（4）壓電材料。以作為主要成分，可制成PZT（鋯鈦酸鉛）等壓電材料，在超聲、水聲及各種蜂鳴器等壓電元件制備中，起到重要的作用。第8頁/共31頁3. 保健紡織材料日本最先將氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁（Al2O3）、二氧化鈦（TiO2）及三氧化二釔（Y2O3）等礦物制成的陶瓷粉末與聚脂粒（polyester）混合制成功能性高濃度母粒，然后經(jīng)抽紗拉出具有遠(yuǎn)紅外線的效果細(xì)纖維。當(dāng)人體需要散熱冷卻時(shí)，流汗的生理現(xiàn)象產(chǎn)生，

9、體表汗珠透過吸濕排汗的衣服，將熱能釋出，而這種具有遠(yuǎn)紅外線的纖維可以加速吸濕層的干燥，并保持人體皮膚干燥、舒爽。第9頁/共31頁 4. 多晶氧化鋯寶石 ZrO2具有較高的折射率，如將它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，即可以像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒。用它制成各種裝飾用的寶石，其莫氏硬度達(dá)8.5，光澤完全可以達(dá)到以假亂真的程度。 用不磨損的手表表殼、表鏈及人造寶石戒指，大多是采用多晶ZrO2寶石制成的。它主要利用超細(xì)的ZrO2粉末添加一定的著色元素，如V2O5，F(xiàn)e2O3等，經(jīng)高溫處理即可獲得粗坯氧化鋯陶瓷體，再經(jīng)研磨、拋光即可制成各種裝飾品供應(yīng)市場。第10頁/共31頁5. ZrO2涂

10、層 熱障涂層是為在高溫臨界狀態(tài)下工作的氣冷金屬部件提供隔熱作用。納米級氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）用于熱障涂層顯示出突出的性能。YSZ具有很高的熱反射率，化學(xué)穩(wěn)定性好，與基材的結(jié)合力和抗熱震性能均優(yōu)于其他材料。因此，YSZ是目前最理想的熱障涂層材料，應(yīng)用在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱涂層等方面。第11頁/共31頁氧化鋯拉絲模與研磨環(huán)氧化鋯拉絲模與研磨環(huán)第12頁/共31頁氧化鋯陶瓷軸承第13頁/共31頁陶瓷廚具和辦公用品第14頁/共31頁手表表殼第15頁/共31頁光通訊用光纖陶瓷插芯第16頁/共31頁第17頁/共31頁光纖連接器第18頁/共31頁 氧化鋯陶瓷人工關(guān)節(jié)球第19頁/共31頁陶瓷關(guān)節(jié)第20頁/

11、共31頁五、ZrO2 增韌陶瓷u陶瓷材料雖然有許多優(yōu)越的特性，如高溫力學(xué)性能、抗化學(xué)侵蝕性能、電絕緣性、較高的硬度和耐磨性等。但由于其結(jié)構(gòu)決定了陶瓷材料缺乏象金屬那樣在受力狀態(tài)下發(fā)生滑移引起塑性變形的能力，容易產(chǎn)生缺陷，存在裂紋，且易于導(dǎo)致高度的應(yīng)力集中，因而決定了陶瓷材料脆性的本質(zhì)。u因此，改善陶瓷材料的脆性是陶瓷學(xué)家的長期關(guān)注的問題。近年來，纖維補(bǔ)強(qiáng)及氧化鋯相變增韌在實(shí)踐中被證實(shí)對改善陶瓷的脆性以及強(qiáng)化陶瓷是兩條有效的途徑。第21頁/共31頁1、ZrO2相變增韌機(jī)理2、幾種典型的ZrO2增韌陶瓷3、ZrO2 增韌陶瓷研究發(fā)展趨勢第22頁/共31頁1、ZrO2相變增韌機(jī)理u利用ZrO2增韌陶

12、瓷，是通過四方相ZrO2（t-ZrO2 ）轉(zhuǎn)變成單斜相ZrO2 （m-ZrO2 ）馬氏體相變(martemsitic transformation)來實(shí)現(xiàn)的。uZrO2增韌機(jī)制有許多種：應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌、相變誘發(fā)微裂紋增韌、表面誘發(fā)強(qiáng)韌化和微裂紋分岔增韌等。第23頁/共31頁1）相變增韌vZrO2 顆粒彌散在其它陶瓷基體中，當(dāng)基體對ZrO2顆粒有足夠的正應(yīng)力，而ZrO2的顆粒度又足夠小，則其相變溫度可降至室溫以下，這樣在室溫時(shí)ZrO2 仍可以保持四方相。當(dāng)材料受到外應(yīng)力時(shí)，基體對ZrO2 的壓抑作用得到松弛，ZrO2 顆粒即發(fā)生四方相到單斜相的轉(zhuǎn)變，并在基體中引起微裂紋，從而吸收了主裂紋擴(kuò)展的

13、能量，達(dá)到增加斷裂韌性的效果，這就是ZrO2 的相變增韌。第24頁/共31頁2）微裂紋增韌 部分穩(wěn)定ZrO2 陶瓷在由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變，相變出現(xiàn)了體積膨脹而導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。這樣由ZrO2 陶瓷在冷卻過程中產(chǎn)生的相變誘發(fā)微裂紋，以及裂紋在擴(kuò)展過程中在其尖端區(qū)域形成的應(yīng)力誘發(fā)相變導(dǎo)致的微裂紋，都將起著分散主裂紋尖端能量的作用。從而提高了斷裂能，稱為微裂紋增韌。 微裂紋增韌的機(jī)理：是ZrO2 彌散粒子由四方相向單斜相轉(zhuǎn)化引起的體積膨脹，以及由之誘發(fā)的彈性壓應(yīng)變能或激發(fā)產(chǎn)生的微裂紋，阻礙了主裂紋的擴(kuò)展或釋放其能量，達(dá)到韌化提高強(qiáng)度的目的。第25頁/共31頁2、幾種典型的ZrO2增韌陶瓷 通常的ZrO

14、2 增韌陶瓷有：ZrO2- MgO，ZrO2- Al2O3，ZrO2- Y2O3，ZrO2- CaO，現(xiàn)在發(fā)展了ZrO2-CeO2，Y2O3- ZrO2-HfO2等。此外還有晶須(纖維)-ZrO2復(fù)合增韌陶瓷。第26頁/共31頁用氧化鋯增韌的陶瓷材料的性能用氧化鋯增韌的陶瓷材料的性能材料陶瓷基體ZrO2增韌陶瓷KIC抗彎強(qiáng)度KIC抗彎強(qiáng)度立方ZrO22.418023200300PSZ68600800TZP71210002500Al2O34500585001300莫來石1.815045400500尖晶石218045350500堇青石1.41203300燒結(jié)Si3N4560067700900第27

15、頁/共31頁3、ZrO2 增韌陶瓷研究發(fā)展趨勢 未來對氧化鋯及其增韌陶瓷材料的研究在繼續(xù)致力于提高力學(xué)性能的同時(shí)，將通過改進(jìn)工藝及設(shè)備、使用多元氧化物穩(wěn)定劑、改進(jìn)或設(shè)計(jì)顯微結(jié)構(gòu)、引入納米級第二相粒子等手段，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）高溫增韌：現(xiàn)有相變增韌機(jī)理有極強(qiáng)的溫度敏感性，在高溫下的增韌作用受到了極大限制，特別是應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌在高溫區(qū)基本失效。因此，如何擴(kuò)大現(xiàn)有機(jī)理的有效溫度范圍，尋求新的相變增韌機(jī)理，將是解決高溫增韌問題的關(guān)鍵。（2）中低溫時(shí)效性：時(shí)效行為降低了增韌材料在使用過程中的可靠性和使用壽命，是氧化鋯增韌陶瓷材料目前還沒有大批量投入使用的主要原因之一。氧化鋯在四方相穩(wěn)定性得到提高的同時(shí)，斷裂相變量卻相應(yīng)降低，失去了部分強(qiáng)度和韌性。因此，如何將增韌和克服時(shí)效行為統(tǒng)一起來，是氧化鋯增韌陶瓷材料研究過程中的又一項(xiàng)重要課題。第28頁/共31頁（3）抗熱震性：氧化鋯增韌陶瓷材料在熱機(jī)、航天等領(lǐng)域使用時(shí)對抗熱震性要求較高，目前氧化鋯增韌陶瓷材料尚不能達(dá)到這一要求。只有解決了抗熱震性問題，氧化鋯增韌陶瓷材料的優(yōu)勢才能在這一領(lǐng)域得到發(fā)揮。（4）協(xié)同增韌：未來氧化鋯增韌陶瓷材料將是多種增韌機(jī)理共同起作用的結(jié)果，因此相變增韌機(jī)理與其它機(jī)理間的交