添加氧化鋯對氧化鋁陶瓷的性能的影響

添加氧化鋯對氧化鋁陶瓷的性能的影響

閃性模量高、耐磨損、耐化學侵蝕、高高溫穩(wěn)定性好、原料成本低等特點。它是一種廣泛用于高溫結(jié)構(gòu)和耐磨材料的材料，在許多領域都得到了應用。但是普通氧化鋁陶瓷材料也有其不可忽視的弱點，那就是它的力學性能較差，其抗彎強度和斷裂韌性分別只有約380MPa和3.5MPa·m1/2。如果能夠進一步提高該材料的力學性能，則可大大拓展其應用范圍。眾所周知，添加ZrO2可以顯著提高氧化鋁材料的力學性能，其增韌機理主要為四方氧化鋯應力誘導相變增韌和微裂紋增韌。另外，近年來納米陶瓷復合材料引起了材料研究者的廣泛興趣，在陶瓷基體中引入少量的納米粒子，可以使材料的力學性能獲得成倍的提高。復合陶瓷中的納米相以兩種形式存在，一種是分布在微米級陶瓷晶粒之間的晶間納米相；另一種則“嵌入”基體晶粒內(nèi)部，被稱為晶內(nèi)納米相或“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生了兩個顯著的效應：穿晶斷裂和多重界面，從而可以明顯改善陶瓷材料的力學性能。Niihara等通過在氧化鋁基體中添加φ=5%～10%納米級SiC，使氧化鋁材料的抗彎強度從350MPa提高到1GPa以上；2003年筆者采用在可低溫燒結(jié)的氧化鋁中引入Zr(OH)4，制備了m(Al2O3）∶m(ZrO2）=8515的復合粉末，在600℃煅燒獲得平均粒徑為9nm的亞穩(wěn)定四方ZrO2。經(jīng)1425℃無壓燒結(jié)后，氧化鋁和氧化鋯的粒徑分別為0.5,0.15μm，該復合材料的抗彎強度和斷裂韌性分別達到了932MPa和8.5MPa·m1/2。在此前期研究工作基礎上，本試驗用價格低廉的商品氧化鋁代替可低溫燒結(jié)的氧化鋁，采用相同的制備工藝制備m(Al2O3）∶m(ZrO2）=85∶15的復合材料，研究了添加氧化鋯對氧化鋁材料的力學性能和耐磨性能的影響。1試驗過程1.1等靜壓成型工藝α-氧化鋁（質(zhì)量分數(shù)99.8%，平均粒徑0.4μm，日本ShowaDenko株式會社）、ZrOCl2·8H2O（質(zhì)量分數(shù)99.0%，日本KishidaChemical株式會社）和氨水為原料。用蒸餾水配制的氯氧化鋯溶液在室溫下充分攪拌后滴入氨水，從而得到Zr(OH)4膠體，經(jīng)過水洗除氯后，在膠體中加入Al2O3粉和少量作為表面活性劑的聚乙二醇，混合物混料24h后過濾，濾料用無水乙醇脫水后置于110℃的烘箱內(nèi)干燥。在600℃的條件下煅燒粉末2h。將煅燒過的粉末過0.60mm篩后，在Φ55mm的鋼模中20MPa壓力下干壓成型后再經(jīng)等靜壓成型，等靜壓成型壓力為200MPa。作為對比，單純氧化鋁經(jīng)相同的干壓和等靜壓工藝成型制樣。經(jīng)成型后的試樣在1400,1450,1550,1600,1650℃常壓下保溫2h燒成，升溫速率為10℃/min。1.2沖蝕、研磨、斷裂韌性燒成后試樣在采用排水法測定體積密度后，采用沖蝕磨損試驗法在微砂沖蝕機上（MB-105,ComcoINC,USA）測定了試樣的耐磨性能，從直徑為0.76mm的SiC噴嘴用0.49MPa的高壓空氣噴出粒徑為30～80μm的SiC磨粒，垂直于試樣表面進行沖蝕1min，試樣和碳化硅噴嘴的距離為30mm。每個燒成溫度點燒成的兩個試樣分別重復測定3次，沖蝕磨損率通過如下關系式計算：式中R為沖蝕磨損率；Δm為試樣質(zhì)量損失；ρ為試樣的密度；V為所用研磨介質(zhì)的體積。經(jīng)切割、研磨得到3mm×4mm×～35mm的試條。試條經(jīng)拋光后在島津AG-20KNG萬能材料試驗機上采用3點抗彎法測定抗彎強度，跨距為30mm，加載速率為0.5mm/min；采用單邊切口梁法（SENB）測定了試樣的斷裂韌性，試樣切口槽寬0.1mm，槽深1.6mm，跨距30mm，加載速率0.1mm/min；在AkashiAVK-A維氏硬度儀上測定了試樣的顯微硬度。1.3氧化鋯的體積分數(shù)采用日本理學產(chǎn)RAD-2C自動X射線衍射儀分別對試樣拋光表面及試樣斷口進行相組成分析。單斜氧化鋯的體積分數(shù)（φm）按下式進行計算：式中Im(111）和分別為單斜相（111）晶面和晶面的衍射峰累積強度；It(111）為四方相（111）晶面的衍射峰累積強度。利用JEOLJSM-T20掃描電子顯微鏡對試樣表面及斷口形貌進行觀察。2結(jié)果與討論2.1t-zro2o3圖1為在600℃煅燒2h后Al2O3/ZrO2粉末的X射線衍射譜線。由圖可見，雖然在ZrO2中沒有添加任何穩(wěn)定劑，但由于高含量的Al2O3能有效地抑制ZrO2的成核和生長，絕大多數(shù)ZrO2是以t-ZrO2形式存在。根據(jù)Scherrer公式計算，ZrO2的結(jié)晶粒徑為12nm。在筆者過去的工作中，采用相同含量的Al2O3，但其顆粒尺寸為0.22μm，在相同煅燒溫度下獲得了平均粒徑為9nm的100%亞穩(wěn)定t-ZrO2。這表明在相同含量Al2O3的前提下，Al2O3的顆粒尺寸越小越有利于抑制ZrO2的成核和生長。2.2al2o3/zro2復合材料的斷口形貌表征圖2為Al2O3和Al2O3/ZrO2復合材料的相對密度與燒成溫度的關系。從圖中可以看出，Al2O3和Al2O3/ZrO2復合材料的相對密度都隨著燒成溫度的提高而逐漸增大，但燒成溫度在1400℃至1500℃范圍內(nèi)，由于ZrO2的添加對Al2O3的晶界移動和晶粒生長起阻礙作用，使得Al2O3/ZrO2復合材料的相對密度低于Al2O3陶瓷，在1500℃時Al2O3的相對密度就達到了99.3%，而Al2O3/ZrO2復合材料在燒成溫度提高至1550℃時，試樣的相對密度達到99%以上。圖3為Al2O3/ZrO2試樣斷口的SEM照片。從圖中可以看出，Al2O3的晶粒尺寸隨著燒成溫度的提高而逐漸增大，但由于均勻分散在Al2O3基體中的ZrO2有效地抑制了Al2O3晶粒生長，因而Al2O3/ZrO2試樣中Al2O3的晶粒尺寸遠小于單純的Al2O3的晶粒尺寸（見圖4）。2.3氧化鋯材料的作用機理圖5為燒成溫度對Al2O3和Al2O3/ZrO2復合材料力學性能的影響。從圖中可以看出：燒成溫度在1450℃至1650℃范圍內(nèi)，Al2O3陶瓷的力學性能變化不大，其最高的抗彎強度和斷裂韌性分別為326MPa和3.9MPa·m1/2；然而Al2O3/ZrO2復合材料在1550℃燒成后獲得了最佳的力學性能，其抗彎強度和斷裂韌性分別達到708MPa和5.8MPa·m1/2，與Al2O3基體相比，抗彎強度和斷裂韌性分別提高了約117%和49%。眾所周知，氧化鋯增韌氧化鋁材料的強度對臨界裂紋尺寸很敏感，有效減小裂紋尺寸的方法就是減小晶粒尺寸和改善顯微結(jié)構(gòu)的均勻性。在本實驗中，通過采用Al2O3粉與Zr(OH)4膠體混合來制備Al2O3/ZrO2復合材料，從而使得ZrO2在Al2O3基體中分散得更均勻，可改善氧化鋯增韌氧化鋁材料顯微結(jié)構(gòu)的均勻性。另外，處在Al2O3晶界上的細小ZrO2晶?？梢宰柚咕Ы绲囊苿雍蜏p小Al2O3晶粒尺寸，因而有利于強度的提高。分散在Al2O3基體中的ZrO2第二相顆粒起彌散強化作用，能在一定程度上提高基體的抗彎強度和斷裂韌性。圖6為1550℃燒成的Al2O3/ZrO2試樣中壓痕裂紋擴展的顯微照片，可以明顯看到“嵌入”氧化鋁晶粒中的氧化鋯粒子導致裂紋的偏轉(zhuǎn)。圖7為1550℃燒成Al2O3/ZrO2試樣拋光表面和斷口的X射線衍射譜線。X射線衍射分析表明，雖然在ZrO2中沒有添加任何穩(wěn)定劑，但由于氧化鋯晶粒細小和氧化鋁的高彈性模量，室溫下Al2O3/ZrO2試樣中還保留相當數(shù)量的四方氧化鋯。拋光表面試樣的四方氧化鋯體積分數(shù)為66.2%，在其斷裂過程中，約40%（體積分數(shù)）的氧化鋯由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?。因而在本實驗中，四方氧化鋯應力誘導相變增韌對改善Al2O3材料的力學性能有明顯的作用。2.4燒結(jié)溫度對al2o3沖蝕磨損率的影響燒成溫度本身對單純Al2O3陶瓷的力學性能影響不大，影響Al2O3陶瓷耐磨性能的主要因素是致密度和Al2O3的晶粒尺寸。圖8為燒成溫度對Al2O3和Al2O3/ZrO2復合材料沖蝕磨損率的影響。從圖中可以看出：隨著燒成溫度的提高，Al2O3陶瓷的相對密度逐漸增大，因而Al2O3的沖蝕磨損率也逐漸減少（即耐磨性能提高），當燒成溫度為1500℃時，Al2O3的沖蝕磨損率達到最小值，其值為2.02×10-3m3·m-3。隨著燒成溫度的進一步提高，會造成Al2O3的異常晶粒生長（見圖4），從而使Al2O3的沖蝕磨損率快速增大。1400℃燒成Al2O3/ZrO2試樣的相對密度比相同溫度下燒成的Al2O3試樣要低得多，導致其沖蝕磨損率高于Al2O3試樣。隨著燒成溫度的提高，Al2O3/ZrO2試樣的沖蝕磨損率逐漸減少，當燒成溫度為1550℃時，Al2O3/ZrO2試樣的沖蝕磨損率達到最小值，其值為1.23×10-3m3·m-3，比相同溫度下燒成的Al2O3試樣的沖蝕磨損率減少1倍，其主要原因是ZrO2的添加減小了Al2O3晶粒尺寸和提高了Al2O3/ZrO2復合材料的力學性能。3抗彎強度和斷裂韌性(1)Al2O3/ZrO2復合材料在1550℃燒成后獲得了最佳的力學性能，其抗彎強度