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技術文章
氧化鋯增韌氧化鋁復相陶瓷制備工藝的研究進展

上海矽諾國際貿易有限公司  2020-06-22  點擊2015次

1 概述

在工業(yè)陶瓷中,氧化鋁陶瓷(Al2O3)因具有高熔點、高硬度、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和低廉的價格而受到人們的廣泛關注,但是其韌性較低,限制了工業(yè)應用范圍。將氧化鋯(ZrO2)引入到Al2O3陶瓷中,可制得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)。ZrO2在Al2O3陶瓷中能起到相變增韌和微裂紋增韌的作用,對Al2O3陶瓷進行增韌補強,從而改善Al2O3陶瓷的韌性,因此,ZTA陶瓷成為結構陶瓷中最有前途的材料之一。

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,會相應的產生體積膨脹和切應變,導致張應力和微裂紋的形成。某些小尺寸的ZrO2粒子在張應力的作用下產生微裂紋,這些裂紋局限在小尺寸晶粒中,其萌生和擴展等都會消耗外應力場的能量,進而提高Al2O3陶瓷的韌性和強度[1]。ZTA復相陶瓷分為粉體和塊體兩種形式,形式的不同,其制備工藝存在顯著的差異。

2 ZTA復相陶瓷粉體的制備工藝

燒結是制備陶瓷材料的主要途徑之一[2],尤其是以固相為主要物相的燒結,燒結前粉體的特性對后續(xù)陶瓷的組織結構有重要的影響。因此,要求粉體具有純度高、均勻性好、穩(wěn)定性優(yōu)良、團聚少以及配比準確等特點。目前,ZTA 粉體的制備工藝方法非常多,制備出粉體也更有特點。如果把這些制備工藝按照物料體系狀態(tài)的不同進行分類,那么可以將其分為固相法、液相法和氣相法等[3]三種。在這三種方法里面,由于液相法具有原料來源廣、操作條件簡易、粉體尺寸和性能穩(wěn)定以及生產成本較低等優(yōu)點,所以成為較為理想的ZTA陶瓷粉體制備方法。液相法可獲得尺寸為1~100nm且均勻彌散分布的粉體。液相法又可進一步分為溶膠-凝膠法、化學共沉淀法、水熱合成法、醇鹽水解法等。下面對三種主要的液相法制備工藝進行介紹。

2.1 溶膠-凝膠法

將有機或無機化合物經過溶液-溶膠-凝膠-干燥處理,然后煅燒得到氧化物超細粉(或固體材料)的方法就是溶膠-凝膠法,也叫Sol-Gel法。采用溶膠-凝膠法制備ZTA復相陶瓷粉體時,通常用異丙醇鋁和異丙醇鋯等金屬醇鹽為原料,其制備原理和步驟為:首先利用有機溶劑將金屬醇鹽溶解形成均相溶液,這種溶液能保證醇鹽的水解反應在分子水平上均勻進行;然后醇鹽與水反應生成1nm左右的粒子并形成溶膠;溶膠經陳化得到凝膠;將凝膠進行干燥除去有機基團、殘余水分和有機溶劑,得到干燥膠;最后研磨干燥膠并進行煅燒,以除去化學吸附的羥基、物理吸附的有機溶劑和水,得到ZTA 復相陶瓷粉體。Jayaseelan等[4]采用溶膠-凝膠法制備出了顆粒尺寸小于10nm的超細粉體,此粉體在1530益下無壓燒結獲得致密度較高(大于99%)的ZTA復相陶瓷。

2.2 化學共沉淀法

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。高濂等[5]以AlCl3·6H2O 和ZrOCl2·8H2O 為前驅體,氨水為混合溶液制備出平均晶粒尺寸與20nm 的ZTA 復相陶瓷粉體,該粉體采用高溫等靜壓法燒結后得到密度約98%的致密陶瓷。

2.3 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,如離子活度增強、溶解度增大、氫氧化物易脫水和化合物晶體結構易轉型等。水熱法制備ZTA 復相陶瓷粉體正是利用這些性質,采用水溶液作為反應介質,在特制的密閉反應容器(如高壓反應釜)中,通過對反應容器創(chuàng)造一個高溫、高壓的環(huán)境,使金屬鹽類在水熱介質中溶解,進而成核、生長,最終形成具有一定結晶形態(tài)和粒度的晶粒。嚴泉才[6]將Al、Zr、Y 鹽的混合溶液滴入氨水溶液中,共沉淀后,將前驅物再置于高壓反應釜中進行水熱處理,干燥后即可得到燒結性良好的粉體,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。

3 ZTA復相陶瓷塊體的制備工藝

在ZTA復相陶瓷粉體制備出來以后,可將其燒結或熔融,制備得到ZTA 復相陶瓷塊體,這種塊體更有利于工業(yè)生產的應用需要。根據制備工藝的不同,ZTA 復相陶瓷塊體的制備工藝可分為純粉末燒結、礦物燒結和電熔等幾種,下面對其一一介紹。

3.1 純粉末燒結工藝[7]

這種制備工藝是以純物質粉末為原材料,對其進行預制成素坯然后燒結而成。純粉末燒結工藝的制備步驟如下:首先把粉末預制成素坯,這種素坯需要具有一定的形狀尺寸、強度和孔隙率。素坯可以用等靜壓或單、雙向進行壓制成型,也可用軋制或擠壓等可塑法進行成型,還能用注漿、熱壓注、注射等膠態(tài)法進行成型。每種成型方法之前,都需要根據粉體的特點對其進行處理。通常將一定量的水和添加劑在粉體處理過程中加入,為了防止這些添加物在高溫燒結過程中揮發(fā)產生缺陷,需要在素坯成型后進

行排除。最后就是燒結素坯,素坯在一定溫度和氣氛下會發(fā)生顆粒黏結的現(xiàn)象,導致強度提高和孔隙率下降,這個過程即為燒結。從本質上說,燒結過程時固相中的原子或分子相互吸引的過程。顆粒的黏結會形成相互間擴散,導致物質發(fā)生遷移,素坯因此產生強度并逐漸致密化和結晶化。通常,有些粉體在燒結時還會伴有固相反應、相變和局部熔融。經過燒結以后,材料的性能(如硬度、韌性和強度等)可達到設計要求,對其進行加工后即可使用。

3.2 燒結鋯剛玉陶瓷[8]

將工業(yè)氧化鋁和鋯英石按照1:1 的比例進行混合并細磨,把紙漿廢液作為結合劑加入混合物中,壓制成素坯后干燥,然后在1600益下進行煅燒即可得到燒結鋯剛玉陶瓷。這種燒結鋯剛玉陶瓷的正常顯微組織由斜鋯石,莫來石,琢-Al2O3和少量玻璃相組成,如果其中含有少量的游離SiO2和鋯英石,則表明制備工藝存在缺陷。鋯英石的雜質含量較高,因此可使用純度和SiO2含量較高的鋯英砂精礦。比如,廣東產最好的鋯英砂化學成分為:SiO2 32.18%,Al2O3 0.64%,ZrO2 66.04%。要得到含SiO2低的ZTA陶瓷,可以采用脫硅劑去除鋯英砂中的SiO2,脫硅劑與鋯英砂中的SiO2在高溫下發(fā)生反應,會生成易揮發(fā)的氣態(tài)化合物并逸出。

3.3 電熔鋯剛玉

電熔鋯剛玉在廣義上也屬于ZTA陶瓷,但其屬于冶金領域。按照所用原料的不同,電熔鋯剛玉的冶煉可分為以下三種方法:第一種用高鋁礬土熟料和鋯英砂加還原劑去掉雜質;第二種使用生產白剛玉的工業(yè)氧化鋁和工業(yè)氧化鋯作為原料;第三種使用生產白剛玉的工業(yè)氧化鋁粉和鋯英砂精礦作為原料??紤]到經濟和成本因素,一般工業(yè)上采用第一和第三種方法。

葛鐵柱等[9]研究了礬土基電熔鋯剛玉陶瓷的制備、性能和結構,以高鋁礬土和鋯英石為基料,炭粒作還原劑。首先將高鋁礬土熟料和煤按100:9 的質量比配料,在三相電弧爐內于120V 電壓下還原熔融成Al2O3,然后在130V 電壓下加入一定質量的鋯英石和炭粒的混合料,最后控制電極使其稍離液面,氧化精煉1h 后冷卻,即制備出礬土基電熔鋯剛玉陶瓷。礬土基和氧化鋁基電熔鋯剛玉陶瓷的顯微組織結構基本相同,均為顆粒狀氧化鋁組成骨架結構,單斜氧化鋯呈柱狀穿插填充在氧化鋁骨架結構的空隙中。

4 結束語

綜上所述,氧化鋯增韌氧化鋁復相陶瓷的應用范圍非常廣泛,需要根據不同的需求選擇相應的制備工藝,才能獲得滿足設計和性能要求的陶瓷材料。通過調整制備時的工藝參數,能獲得致密度更好、強度更高的陶瓷。