無壓燒結(jié)過程中氧化物納米陶瓷致密化與晶粒長大的研究.pdf

1、本工作采用簡(jiǎn)單的濕化學(xué)方法，合成了不同顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)的TiO2、Y-TZP、α-Al2O3、YSZ/Al2O3四個(gè)體系的納米粉體，并對(duì)其平均顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。根據(jù)不同氧化物納米粉體的燒結(jié)特性，采用常規(guī)無壓燒結(jié)技術(shù)，制備了TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷。研究了初始粉體特征、生坯特征和燒結(jié)條件對(duì)TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷燒結(jié)行為的影響。對(duì)所制備的

2、納米陶瓷的相組成、微觀結(jié)構(gòu)、相對(duì)密度和平均晶粒尺寸進(jìn)行了表征，研究了TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷晶粒長大與致密化的相互關(guān)系，同時(shí)開展了納米陶瓷的相對(duì)密度、相組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能影響的初步研究。獲得或發(fā)現(xiàn)以下一些較有意義的結(jié)果： 1.采用溶膠—凝膠技術(shù)制備了不同顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)的TiO2納米粉體，TiO2納米粉體的顆粒尺寸隨煅燒溫度的升高而增大。當(dāng)煅燒溫度小于500℃時(shí)，TiO2粉體

3、為銳鈦礦結(jié)構(gòu)；當(dāng)煅燒溫度大于600℃時(shí)，TiO2粉體為金紅石結(jié)構(gòu)；晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可導(dǎo)致TiO2顆粒的快速長大。TiO2生坯的相對(duì)密度隨成型壓力和初始粉體顆粒尺寸的增大而增加。在500-600℃之間燒結(jié)的TiO2納米陶瓷由銳鈦礦相和金紅石相組成，而700℃以上燒結(jié)的TiO2納米陶瓷僅僅由金紅石相組成；高的成型壓力限制了燒結(jié)過程中銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變，使銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變溫度由粉體的600℃升高到700℃。當(dāng)800℃以下燒結(jié)時(shí)，Ti

4、O2納米陶瓷的相對(duì)密度隨燒結(jié)溫度的升高而快速增大，而TiO2納米陶瓷的平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度升高而緩慢長大；當(dāng)大于800℃的溫度燒結(jié)時(shí)，TiO2納米陶瓷的晶粒尺寸則快速長大。利用相變輔助無壓燒結(jié)方法在800℃燒結(jié)獲得了晶粒尺寸不到60nm、相對(duì)密度超過95％的TiO2納米陶瓷。TiO2納米陶瓷的顯微硬度主要取決于TiO2納米陶瓷的相對(duì)密度和平均晶粒尺寸，陶瓷的相對(duì)密度越大，晶粒尺寸越小，則顯微硬度越高。 2.采用沉淀法制備了不同

5、顆粒尺寸的Y-TZP納米粉體，粉體的顆粒尺寸隨煅燒溫度升高而增大。當(dāng)煅燒溫度為1000℃時(shí)，Y-TZP納米粉體中有少量的單斜相出現(xiàn)。Y-TZP納米陶瓷的相對(duì)密度隨著燒結(jié)溫度的升高和燒結(jié)時(shí)間的延長而增大，但隨成型壓力和初始粉體顆粒的增大而減小。Y-TZP納米陶瓷的平均晶粒尺寸首先隨燒結(jié)溫度的升高而長大，在1450℃達(dá)到最大值62nm后隨溫度的進(jìn)一步升高而平均晶粒尺寸減小。Y-TZP納米陶瓷平均晶粒尺寸隨成型壓力的增大和燒結(jié)時(shí)間延長而長大。

6、大顆粒的粉體、高的成型壓力和高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致Y-TZP納米陶瓷中大量單斜ZrO2生成，而大量單斜ZrO2的生成將改變Y-TZP納米陶瓷的燒結(jié)行為和微結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致ZrO2納米陶瓷平均晶粒尺寸的減小。顆粒為12nm的初始粉體在500MPa的壓力下成型的生坯經(jīng)1450℃、10h的無壓燒結(jié)獲得了相對(duì)密度為98％、平均晶粒尺寸為60nm的Y2O3穩(wěn)定的四方ZrO2納米陶瓷。Y-TZP納米陶瓷的顯微硬度主要取決于Y-TZP納米陶瓷的相對(duì)密度、相結(jié)構(gòu)

7、和晶粒尺寸。同時(shí)，在顯微硬度測(cè)定過程中所有樣品的壓痕邊緣都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明所制備的Y-TZP納米陶瓷具有良好的韌性。 3.采用添加α-Al2O3晶種的高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了不同顆粒尺寸的α-Al2O3粉體，粉體的平均顆粒尺寸和團(tuán)聚程度隨高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠劑中丙烯酰胺與硝酸鋁摩爾比的增大而減小。當(dāng)丙烯酰胺與硝酸鋁的摩爾比為120：1時(shí)，獲得了顆粒大小約為10nm、團(tuán)聚較輕的α-Al2O3粉體。α-Al2O3晶種的加入可明顯降低高分子

8、網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備α-Al2O3粉體的相生成溫度，在950℃的低溫下可獲得α-Al2O3納米粉體。Al2O3生坯的相對(duì)密度隨成型壓力的增大而增加。Al2O3陶瓷的相對(duì)密度隨初始粉體顆粒尺寸的減小和成型壓力的增大而增加。盡管Al2O3陶瓷的相對(duì)密度和平均晶粒尺寸都隨燒結(jié)溫度的升高而增大，但Al2O3陶瓷的平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度的變化不同于其相對(duì)密度隨燒結(jié)溫度的變化，Al2O3納米陶瓷的致密化與晶粒的快速長大發(fā)生在不同的溫度區(qū)域。據(jù)此，采用兩步

9、燒結(jié)法首次獲得了晶粒尺寸為70nm、相對(duì)密度為95％的Al2O3納米陶瓷。在第一步燒結(jié)過程中，Al2O3納米陶瓷只達(dá)到了一個(gè)較高的初始密度，陶瓷晶粒的快速長大被避免；在第二步燒結(jié)過程中，三叉晶界和氣孔阻止了晶界的遷移，但晶界擴(kuò)散仍處于有效的活躍狀態(tài)，從而在Al2O3陶瓷晶粒沒有長大的前提下實(shí)現(xiàn)了Al2O3納米陶瓷的致密化。 4.采用共沉淀法制備了YSZ含量不同YSZ/Al2O3納米復(fù)合粉體。當(dāng)煅燒溫度為1300℃時(shí)，復(fù)合粉體由四

10、方ZrO2和α-Al2O3組成。粉體中α-Al2O3的平均顆粒大小隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而減小，而四方ZrO2的平均顆粒尺寸幾乎不隨復(fù)合粉體中YSZ含量增加而變化，其值在41-47nm之間。當(dāng)復(fù)合粉體中YSZ含量在20-85mol％之間時(shí)，YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的相對(duì)密度超過95％，而且隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而略有增大；復(fù)合粉體中YSZ含量超過85mol％或小于20mol％都不利于YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的致密

11、化。復(fù)合陶瓷中Al2O3和ZrO2的晶粒尺寸隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而減小。YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷中Al2O3和ZrO2形成晶內(nèi)/晶間型的混合納米結(jié)構(gòu)。YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的顯微硬度主要取決于其相對(duì)密度、組成和相結(jié)構(gòu)；當(dāng)復(fù)合粉體中YSZ含量為20mol％時(shí)，YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的顯微硬度高達(dá)19.8GPa。同時(shí)，在顯微硬度測(cè)定過程中所有樣品的壓痕邊緣都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明所制備的YSZ/Al2O3的納米復(fù)合