氧化鋯復(fù)合陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、本論文以粒徑為300nm的氧化鋯為原料，以氧化鋯復(fù)合陶瓷作為研究對(duì)象，采用物理混合法制備氧化鋯復(fù)合陶瓷粉料，用干壓法將制得的復(fù)合粉體壓制成型，在400℃、800℃各保溫30min，后升溫至1300℃保溫2h的溫度制度下常壓燒結(jié)，制備氧化鋯基復(fù)合陶瓷。分別利用抗壓強(qiáng)度測(cè)試、單邊切口梁(SENB)法等力學(xué)測(cè)試方法和X射線(xiàn)衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、熱重(TG-DTA)等分析方法，并做了復(fù)合陶瓷在摩擦性能、力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)的分析對(duì)比

2、，討論了氧化鋯復(fù)合陶瓷不同成型壓力、不同添加劑對(duì)其摩擦性能、力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)系統(tǒng)研究制備出性能良好的氧化鋯基復(fù)合陶瓷。 首先分別在成型壓力為200MPa，250 MPa，300 MPa，350 MPa，400 MPa，相同的燒結(jié)溫度1300℃下制備出氧化鋯基復(fù)合陶瓷材料，試樣經(jīng)XRD、SEM測(cè)試分析，通過(guò)摩擦性能、力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)測(cè)試分析結(jié)果表明，最佳成型壓力為350 MPa，此時(shí)粉體晶化完全，粒度小，分散均勻，

3、且保留了亞穩(wěn)態(tài)的t-ZrO2。此條件下所得陶瓷具有最好力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性分別為67.95MPa和1.498MPa·m1/2。隨著成型壓力增加到400MPa，ZrO2陶瓷的相對(duì)密度下降，導(dǎo)致材料孔隙增多，有效承載面積減小，抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性下降。 分析認(rèn)為，隨著壓力的增加，ZrO2顆粒間的自由程減小，同時(shí)坯體氣孔含量相對(duì)減少，有利于燒結(jié)和致密化。但隨著成型壓力的進(jìn)一步提高，ZrO2晶粒尺寸超過(guò)了臨界相變尺寸，致使冷卻過(guò)

4、程中產(chǎn)生了一定量的單斜相ZrO2，造成試樣的體積密度下降。粉體粒度小，可以提高陶瓷的致密度，粒度小于ZrO2的臨界相變尺寸有利于陶瓷在冷卻過(guò)程中保持亞穩(wěn)t-ZrO2，使得亞穩(wěn)t-ZrO2應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g對(duì)陶瓷的力學(xué)性能做出貢獻(xiàn)；粉體混合均勻，氧化鋯與多種不同粉體在燒結(jié)過(guò)程中相互制約，避免了顆粒的異常長(zhǎng)大，使得晶界擴(kuò)展，材料在斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的路徑曲折，消耗的能量多，導(dǎo)致材料斷裂韌性較高。 由于氧化鋯在1150℃左右會(huì)發(fā)生四方(

5、T)到單斜(M)的相變，并伴隨約5％的體積膨脹。如果將ZrO2的T→M相變點(diǎn)穩(wěn)定到室溫，使其在承載時(shí)由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生T→M相變，相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)而吸收大量的斷裂能，從而使材料表現(xiàn)出較高的斷裂韌度，產(chǎn)生相變?cè)鲰g，獲得較高韌性、高耐磨性。所以人們?cè)谘趸喬沾芍袚郊硬糠指邚椥阅Ａ康幕衔?，使部分四方相氧化鋯在室溫下保留下?lái)。從而改善材料的高溫性能，制備出具有高強(qiáng)度高韌性的氧化鋯基陶瓷復(fù)相材料。鑒于此，本文研究了在以氧化鋯為基體陶瓷復(fù)合材料中引

6、入Al2O3、SiC、SiO2、CaO、TiO2等不同添加劑對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響，并分析其作用機(jī)制。通過(guò)對(duì)其基本現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)： 在ZrO2陶瓷中引入了Al2O3、SiC、SiO2、CaO、TiO2等不同添加劑對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響，并分析其作用機(jī)制。結(jié)果表明五種添加劑的加入都導(dǎo)致了材料的致密化程度增強(qiáng)，其中SiC、SiO2對(duì)材料的密度影響不大，TiO2使材料的密度增加最多。Al2O3、SiC、SiO2、TiO2