Ca-ZrO-,2-陶瓷及其孔隙率梯度材料的制備與抗熱震性能.pdf

1、ZrO2陶瓷具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性、隔熱性能，其熱導(dǎo)率在常見的陶瓷材料中最低，熱膨脹系數(shù)又與金屬材料較為接近，因此，ZrO2陶瓷成為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和超高溫?zé)岱雷o(hù)材料的最佳候選材料之一；但是由于氧化鋯陶瓷易于相變和熱震穩(wěn)定性差的缺點，限制了其在高溫結(jié)構(gòu)材料和超高溫?zé)岱雷o(hù)材料領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣。本文根據(jù)氧化鋯陶瓷材料的特點和優(yōu)勢，并結(jié)合傳統(tǒng)的抗熱震理論，重點探討了物相組成、孔隙率、孔隙率梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計對Ca-ZrO2(CSZ)陶瓷材料力學(xué)性能、熱

2、學(xué)性能及抗熱震性能的影響。 鑒于氧化鋯陶瓷的性能與其物相組成嚴(yán)重相關(guān)的特點，物相比例可控的氧化鋯陶瓷的制備便成為本研究首先要解決的關(guān)鍵問題。本文首先通過在7wt.％CaO穩(wěn)定ZrO2粉中添加不同含量的H3BO3的方式，采用常壓燒結(jié)工藝，在1400～1700℃的范圍內(nèi)對樣品進(jìn)行了燒結(jié)，研究了燒結(jié)溫度、硼酸添加量和熱處理對于燒結(jié)樣品的物相變化的影響，運(yùn)用Rietveld全譜擬合的方法對樣品進(jìn)行了定量相分析，并探討了硼酸調(diào)整物相比例的

3、機(jī)理。結(jié)果表明，1700℃、2小時燒結(jié)的樣品中四方相的含量隨著硼酸加入量的增加而增加，其中，添加0.5wt.％H3BO3，可導(dǎo)致樣品中15wt.％四方相氧化鋯的生成，而添加2.0wt.％的H3BO3，可導(dǎo)致49wt.％t-CSZ的生成。熱穩(wěn)定性實驗(1500℃、熱處理1h)表明在四方相和立方相共存的CSZ陶瓷中，存在著鈣的偏析現(xiàn)象，即四方相晶格中的鈣在一定的溫度環(huán)境下會向立方相的品格中遷移。控制H3BO3加入量可以線性控制樣品中四方相與

4、立方相的比例，其主要機(jī)理就在于H3BO3對體系參與摻雜的CaO的有效消耗。 其次，在上述研究的基礎(chǔ)上，對于不同四方相與立方相比例的致密的鈣穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(1700℃、2h燒結(jié))進(jìn)行了制備并對其力學(xué)性能、熱學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及抗熱震性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明材料的斷裂韌性隨著t-CSZ含量增加而增加，最高值達(dá)3.35MPa.m1/2；材料的抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)出同樣的趨勢，最高值達(dá)267MPa，材料的彈性模量則變化不大；隨著t-CSZ含量增加

5、，材料的熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率逐漸增加，材料的熱容和熱膨脹系數(shù)呈下降的趨勢。利用淬冷-強(qiáng)度法對材料熱震后殘余強(qiáng)度的分析表明，隨著熱震次數(shù)的增加，完全由立方相組成的氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度有較大幅度的下降，而由四方相和立方相組成的CSZ陶瓷的抗彎強(qiáng)度則逐漸升高。H3BO3的加入導(dǎo)致樣品中四方相的引入是影響CSZ陶瓷抗熱震性的主要因素，熱震過程中，鈣的偏析促成了基體內(nèi)壓應(yīng)力的增加，是使四方相和立方相組成的CSZ陶瓷熱震后強(qiáng)度不但不降低反而隨著熱震次

6、數(shù)的增加而上升的主要因素。 再次，利用氧化鋯空心球引入閉氣孔和第二相的方式，制備了不同孔隙率的氧化鋯陶瓷并對其力學(xué)性能、熱膨脹特性及抗熱震性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，空心球的加入量與樣品的孔隙率基本上保持線性關(guān)系，材料的孔隙率對抗彎強(qiáng)度的影響顯著，但是空心球的加入量超過20wt.％，不同粉末配制的樣品的抗彎強(qiáng)度之間的差異變小。不同孔隙率的樣品在室溫到1400℃的范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出穩(wěn)定氧化鋯的熱膨脹特征，對于用添加了1.5wt.％H3B

7、O3的CSZ粉體與空心球制備的樣品，空心球的加入比例可在一定程度上調(diào)節(jié)氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)。對于未添加硼酸的樣品，隨著熱震次數(shù)的增加，材料的抗彎強(qiáng)度持續(xù)下降，但是隨著空心球加入量的增加，其下降的速度放緩；對于添加了硼酸的樣品，其抗彎強(qiáng)度同樣隨著熱震次數(shù)的增加而增加。熱震前后的物相及顯微形貌分析表明，孔隙率的增加以及t-CSZ的存在是改善材料抗熱震性能的兩個關(guān)健因素，一定量的t-CSZ的存在使材料抗熱震后力學(xué)性能得以保持和提高的決定性因