中國粉體網(wǎng)訊 Al2O3陶瓷以其高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗熱震等優(yōu)異性能，在機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。純Al2O3陶瓷的高溫性能好，但韌性不足，抗沖擊能力差，切削時易發(fā)生輕微崩刃，通過在Al2O3基體中添加增韌材料，可明顯改善這一現(xiàn)象[2]。
在ZTA陶瓷中，Al2O3基體上均勻彌散分布著ZrO2粒子，隨著溫度的變化，ZrO2粒子發(fā)生相變，這種相變屬于馬氏體相變，會相應(yīng)的產(chǎn)生體積膨脹和切應(yīng)變，導(dǎo)致張應(yīng)力和微裂紋的形成。某些小尺寸的ZrO2粒子在張應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂紋，這些裂紋局限在小尺寸晶粒中，其萌生和擴(kuò)展等都會消耗外應(yīng)力場的能量，進(jìn)而提高Al2O3陶瓷的韌性和強(qiáng)度[3，4]。
ZTA陶瓷粉體的制備方法
ZTA陶瓷的制備工藝主要包括ZrO2/ Al2O3復(fù)合粉體的制備、坯體成型及燒結(jié)等工序。要制備性能優(yōu)異的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，獲得優(yōu)質(zhì)的ZrO2/Al2O3復(fù)合粉體是重要前提[5]。
氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復(fù)合粉體的制備工藝有混合法、溶膠－凝膠法、共沉淀法和水熱合成法等不同方法。其中的關(guān)鍵是，既要保證ZrO2的顆粒細(xì)度小且顆粒度分布范圍窄；又要保證ZrO2的均勻分散，使Al2O3顆粒能夠包裹ZrO2，以產(chǎn)生良好的增韌效果。
機(jī)械混合法
機(jī)械混合法是將組成復(fù)合粉體的粉末進(jìn)行混合、球磨，然后再進(jìn)行燒結(jié)[6]。余明清等人[7]采用工業(yè)純的Al2O3粉、蘇州土、碳酸鈉等原料制成92Al2O3瓷粉，然后加入(1.5Y，4Ce)-ZrO2，用球磨機(jī)機(jī)械混合，制備出了92 Al2O380wt%-(1.5Y，4Ce)- ZrO220wt%的復(fù)合粉料，在1550℃燒結(jié)出的瓷體，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、硬度均得到改善。
Mangalaraja等人[8]考察了用化學(xué)純的Al2O3、ZrO2、CeO2機(jī)械混合制成的復(fù)合粉體的性能，他們發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合粉體制備的陶瓷材料因為混合不均勻而出現(xiàn)較高的氣孔率，使材料的機(jī)械性能下降。
溶膠－凝膠法
溶膠－凝膠法是指有機(jī)或者無機(jī)的鋯（鋁）鹽在溶液中均勻混合，然后經(jīng)水解、聚合反應(yīng)生成透明的溶膠體系，所得溶膠經(jīng)過老化、聚合形成凝膠，最后凝膠經(jīng)過干燥、煅燒等步驟得到ZrO2/Al2O3納米復(fù)合粉體，這種方式可以使ZrO2在Al2O3中得到良好的分散[5]。張大海等人[9]以無機(jī)鹽硝酸氧鋯ZrO(NO3)2·2H2O，硝酸鋁Al(NO3)3·9H2O為主要原料，將兩種先驅(qū)體溶液混合，加入6次甲基四胺獲得溶膠，水浴得凝膠，陳化、干燥后，經(jīng)過煅燒得到50% Al2O3-50% ZrO2超細(xì)復(fù)合陶瓷粉體。
曾峰等[10]在40℃水浴下，將0.2g檸檬酸和1.6g聚氧乙烯聚氧丙烯溶解于10mL含有0.8g濃鹽酸的無水乙醇中，直至該混合溶液攪拌至澄清，再向該溶液中加入0.008mol異丙醇鋁及一定配比的氧氯化鋯，接著繼續(xù)攪拌24h。將所得白色溶膠倒入培養(yǎng)皿中并放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行熱處理至干燥；將干燥后的樣品放入馬弗爐中煅燒，除去有機(jī)物和易揮發(fā)的物質(zhì)，最終得到氧化鋯-氧化鋁復(fù)合粉體。最后，將粉體在SPS中進(jìn)行燒結(jié)，獲得高性能復(fù)合陶瓷。
化學(xué)共沉淀法
如果原料溶液中有以均相存在與溶液中的兩種及以上陽離子，在加入沉淀劑發(fā)生沉淀反應(yīng)后，可得到符合要求的成分配比和均勻的粉體，這就是共沉淀法[3]。高濂等[11]以AlCl3·6H2O和ZrOCl2·8H2O為前驅(qū)體，氨水為混合溶液制備出平均晶粒尺寸與20nm的ZTA復(fù)相陶瓷粉體，該粉體采用高溫等靜壓法燒結(jié)后得到密度約98%的致密陶瓷。
水熱合成法
一般來說，金屬鹽類在高壓和高溫的水溶液中會表現(xiàn)出與常溫常壓下完全不同的性質(zhì)，如離子活度增強(qiáng)、溶解度增大、氫氧化物易脫水和化合物晶體結(jié)構(gòu)易轉(zhuǎn)型等[3]。水熱法制備ZTA復(fù)相陶瓷粉體正是利用這些性質(zhì)，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，在特制的密閉反應(yīng)容器（如高壓反應(yīng)釜）中，通過對反應(yīng)容器創(chuàng)造一個高溫、高壓的環(huán)境，使金屬鹽類在水熱介質(zhì)中溶解，進(jìn)而成核、生長，最終形成具有一定結(jié)晶形態(tài)和粒度的晶粒。嚴(yán)泉才[12]將Al、Zr、Y鹽的混合溶液滴入氨水溶液中，共沉淀后，將前驅(qū)物再置于高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱處理，干燥后即可得到燒結(jié)性良好的粉體，此工藝省去了高溫煅燒的環(huán)節(jié)且制備的粉體純度較高。
氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷成型
粉體的成型可分為干法成型和濕法成型。干法成型又包括傳統(tǒng)干壓成型、等靜壓成型等[5]。
傳統(tǒng)干壓成型可使粉體成為一個較低密度素坯，也可壓碎粉體間的軟團(tuán)聚，而等靜壓成型（常用的是冷等靜壓），它是以液體作為壓力傳遞介質(zhì)，素坯可以更加均勻的受壓，冷等靜壓成型主要是為了使素坯獲得更大的致密度從而將坯體在高壓下再次成型以得到密度高、氣孔小、均勻性好的坯體。一般說來，干法成型廣泛應(yīng)用于簡單的陶瓷部件，由于其操作簡單，因此能夠適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。但是干壓成型制備陶瓷，很難完全消除粉料的團(tuán)聚行為，這在一定程度上必然會影響最終陶瓷制品的性能，有研究者認(rèn)為如何防止團(tuán)聚及解決團(tuán)聚問題是制備性能優(yōu)異的陶瓷所必須面對的難題。濕法成型需要先將ZrO2/Al2O3納米復(fù)合粉體分在液體中制備成懸濁液，濕法成型是將粉體的團(tuán)聚問題轉(zhuǎn)化成了粉料的分散性問題，有效的控制了素坯中團(tuán)聚體的生成[5]。
氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷燒結(jié)
氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷燒結(jié)可分為有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等。吳利翔等[1]以無水乙醇為溶劑，按配方配料后，放入聚四氟乙烯球磨罐中，球磨24h后取出，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后放入烘箱干燥，將粉料過篩，經(jīng)干壓及200MPa冷等靜壓成型。將冷等靜壓后的坯體放入管式爐中無壓燒結(jié)，以10℃/min升溫至1550℃，保溫2h，隨爐冷卻后，得到Al2O3陶瓷。
熱壓燒結(jié)可使氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷高度致密化。與無壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以避免差分燒結(jié)，這有利于顯微結(jié)構(gòu)的控制與力學(xué)性能的提高。但另一方面，熱壓燒結(jié)中的外加壓力可以導(dǎo)致基體中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響ZrO2晶粒的四方到單斜的相變，降低了氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷性能的各向同性。
結(jié)束語
綜上所述，ZTA陶瓷的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，但是制備出性能適合的復(fù)合粉體相當(dāng)關(guān)鍵。同時還要需要根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的成型、燒結(jié)工藝，才能獲得滿足設(shè)計和性能要求的陶瓷材料。
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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