氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究.doc
《氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究.doc(20页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究 摘要:本文叙述了氧化锆陶瓷的增韧机制,以氧化铈为稳定剂,论述不同实验中铈掺杂氧化锆的性能研究。结果表明,氧化铈对四方相氧化锆具有稳定作用。本文采用不同实验方法,研究了反应温度、氧化铈的含量、PH、烧结工艺等对铈掺杂氧化锆陶瓷粉体的影响,并分析了氧化铈氧化锆陶瓷的力学性能,对铈掺杂氧化锆陶瓷的应用前景作了简要概述。 关键词:氧化铈;氧化锆;增韧机制;稳定作用1 引言近年来,利用稀土氧化物氧化铈对氧化锆的稳定作用实现对陶瓷材料的研究渐趋活跃。由于ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大,常温下为绝缘体,而高温下为导体等优良性质,固此,从20世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼
2、钢铁等的耐火材料。随着人们对ZrO2了解的加深,20世纪70年代开始就被用作结构材料和功能材料。1975年,澳大利亚R.G.Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定的氧化锆陶瓷(CaPSZ),并首次利用ZrO2马氏体相变的增韧效应,提高了其韧性和强度,极大的扩展了ZrO2马氏体相变的增韧效应,提高了其韧性和强度,极大的扩展了ZrO2在结构陶瓷领域的研究。纯ZrO2在不同温度区间具有单斜(Monoclinic ) 、 四方 (Tetragonal ) 、 立方(Cubic)三种不同晶型, 晶型转化式为:当氧化锆从高温冷却到室温要经历ctm的同质异构转变,其中tm的相变过程要产生3-5%的体积膨胀
3、,体积膨胀效应可导致材料的开裂,所以未经稳定的ZrO2韧性极差,在一般情况下是无法使用的。要实现相变增韧,必须添加一定的稳定剂,而只有离子半径与Zr4+半径相差不超过40%的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂。氧化铈作为氧化锆的稳定剂,有利于在室温保留尽量多的可相变亚稳四方相氧化锆,并能在较宽的成分范围内获得亚稳四方相氧化锆,从而为氧化锆的相变增韧提供优越的条件。1998年末松下电器公司宣称与大阪大学科学与工业研究所联合开发了一种采用铈做稳定剂的ZrO2-CeO2复合陶瓷,由于热膨胀系数不同,很难制成纳米复合材料。但通过优化烧成温度和混合比,以能批量生产高强度、高硬度复合陶瓷,用于代替由YSZ制造的
4、可转换叶片。与YSZ相比,ZrO2-CeO2陶瓷的断裂韧性为前者的三倍,切割速度为前者的1.5倍。2 氧化锆陶瓷的增韧机制 2.1 应力诱导相变韧化 1975年Garvie R. C 对Ca- PSZ 的研究中首次发现:介稳的四方相氧化锆相变成稳定的单斜相氧化锆,试样强度可明显提高,并提出了相变增韧氧化锆陶瓷的概念。经过Lange等人的完善,逐步形成了比较完整的应力诱导相变增韧机理。该理论认为:如果四方相氧化锆的晶粒足够细或者机体对其束缚力足够大,冷却过程中四方相向单斜相的相变就可受到抑制,四方相可稳定的保留到室温当裂纹受到外应力作用扩展时,裂纹前端形成较大的张应力,使机体对四方相的约束力得到
5、松弛,四方相相变为单斜相。此时的相变就产生3-5%的体积膨胀和1-7%的剪切应变,并对机体产生压应变,使裂纹扩展受阻、主裂纹延伸需要的能量增加。即在裂纹尖端应力场的作用下,ZrO2离子发生四方单斜相变而吸收了能量,即外力做了功,从而提高了断裂韧性。图一为应力诱导相变示意图2.2 微裂纹增韧不同机体中室温下ZrO2颗粒保持四方相的临界尺寸不同,当某颗粒尺寸大于临界尺寸时,室温四方相已转变为单斜相并在其周围的基体中形成微裂纹。当主裂纹扩展到ZrO2颗粒时,这种均匀分布的微裂纹可以缓和主裂纹尖端的应力集中或使主裂纹分叉而吸收能量。有效地抑制了裂纹扩展,提高了断裂韧性,如图二所示。2.3 表面强化增韧
6、表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从表面拉应力超过断裂应力开始的。由于氧化锆陶瓷烧结体表面存在机体的约束较少,t-ZrO2容易转变为m-ZrO2,而内部t-ZrO2由于受机体各方向的压力。因此表面的保持亚稳定状态m-ZrO2比内部的多,而转变产生的体积膨胀使材料表面产生残余的压应力,可以抵消一部分外加的拉应力,从而造成表面强化增韧。3 实验部分3.1 实验部分一3.1.1 实验试剂及仪器ZrOCl28H20、Ce2(CO3)38H2O 为分析纯,购自上海晶纯试剂有限公司,其他药品均为分析纯,市售。电子分析天平(AB104-N)梅特勒-托利多(上海)有限公司;激光颗粒分布测量仪(GSL-101BI
7、)辽宁仪表研究所有限责任公司;X 粉末衍射仪(D8 Focus)德国Bruker 公司;程控箱式电炉(SXL-1216)上海精宏实验设备有限公司。3.1.2 实验内容将Ce2(CO3)38H2O 溶于硝酸溶液再加热蒸发结晶,按一定的Ce%摩尔分数将所得晶体与ZrOCl28H2O 混合,加适量的无水乙醇溶解。水浴加热并均匀搅拌,向混合溶液中滴加沉淀剂,用氢氧化钠或柠檬酸溶液调节pH,搅拌2h,抽滤,滤饼用水洗涤若干次后再用乙醇洗涤至无Cl-(AgNO3 检验至无白色沉淀为止),在100烘箱中烘干,在500煅烧2h 后得到产物。具体反应条件如表一所示:3.1.3 产品的表征A 粒径测试 采用激光颗
8、粒分布测量仪,对煅烧后的粉体进行了粒径测试,得到粒径分布之后算出每个样品的平均粒径。B XRD的测定 采用D8 Focus X 粉末衍射仪对产品进行分析,扫描速度为0.4/秒,扫描范围为290。3.1.4 实验结果的讨论A 反应温度的影响 表二 反应温度对产率及粒径的影响 由表可知,随着温度升高,产率先上升后下降,当温度为50摄氏度时,产率最高,这是因为温度升高,溶液中的分子运动加剧,形成沉淀Ce (OH)4、Zr(OH)4 的速度加快,但是温度太高,氨气挥发加快,OH离子减小,得到的产率就下降;随着反应温度的升高,四方晶相部分衍变成了单斜相,粉体的粒径有减小的趋势。但当温度为50摄氏度时,出
9、现了转折,平均粒径最大。这是因为此时产率最高的缘故。B pH 值的影响 表三 PH值对产率及粒径的影响 由表三可知,pH 增大,产率也逐渐升高,这是由于pH 越大,溶液中的OH离子浓度越大,Zr4+和Ce4+与OH能够充分反应,得到的沉淀就越多;pH 增大,粉体的粒径却呈下降趋势,这是因为此时,锆主要以四聚体络合离子Zr4(OH)8(H20)16 8+形式存在,随着体系pH 值的增大,聚合度增大,进而形成多聚体络合离子,沉淀物实际上为多聚体络离子的团聚体。当体系的pH 值较小时,沉淀物的聚合度较小,结构强度也相对较弱,在沉淀及干燥过程中原生粒子之间会发生团聚,因而形成的粒子粒径较大;当体系pH
10、 值较大时,OH-浓度过大,形成高聚体沉淀,体积膨大而疏松,粒子间相互联接成强度较大的三维网络状结构,在干燥过程中使产品粉体较好地保持了原有粒子的性能,所以随pH值的增大,超细粒子的粒径呈减小趋势。此外,因为Zr(OH)4胶粒带负电,胶粒之间同时存在范德华力和静电斥力,二者相互作用的结果决定了粉体的聚集程度,当PH值较大时,斥力势能大于引力势能,使Zr(OH)4胶粒尽可能均匀分散,得到细小的粉体。C CeO2 摩尔含量的影响 表四 CeO2含量对粒径的影响 由表中数据可知,粉体煅烧后的平均粒径随CeO2 摩尔含量的增加而逐渐减小,这可能是因为,在发生沉淀形成胶粒过程中,形核与长大因素的影响。根
11、据非均相成核理论,当反应体系中引入少量CeO2 做为晶种时,溶液中出现大量晶核,迅速降低溶液的过饱和度,抑制胶粒的二次成核及粒子生长,有利于生成粒径较小的粒子。同时稳定剂的加入量增加了母体晶体缺陷能,阻碍了单斜相向四方相相变的发生,使晶粒生长速度降低,晶粒尺寸减小。反之当溶液内的晶核较少时,晶核的生长就较快,所得粉体的粒径也较大。D 沉淀剂种类的影响 表五 沉淀剂对实验的影响 由表5 可知,当沉淀剂为浓氨水时,得到粉体的产率最高,但粒径也最大,这可能因为KOH、NaOH 为强碱,容易使OH浓度过大,形成高聚体沉淀,体积膨大而疏松,煅烧时分解得到的晶体粒径就小。3.1.5 XRD 图 图 1为Z
12、rO2 粉体与掺杂后ZrO2 的XRD 图粉末XRD 图表明:未掺杂的ZrO2 的XRD 图显示其物相为单斜相,而在CeO2 掺杂ZrO2 的XRD 图中:2= 24.2, 28.4, 31.6, 34.1表明存在单斜相,2= 30.5, 35.3, 50.7, 60.4表明存在四方相,说明掺杂后的ZrO2 为单斜和四方相共存的产品。3.1.6 实验结论 铈掺杂ZrO2 粉体;随着反应温度的升高,掺杂ZrO2 粉体的产率先升高再后减小;粒径随着温度升高而减小;pH 增大,掺杂ZrO2 粉体产率逐渐增大,粒径呈下降趋势;随着随着CeO2 摩尔含量增大,粒径减小;沉淀剂为浓氨水时,掺杂ZrO2 粉
13、体产率最高,粒径也最大。XRD 图表明未掺杂的ZrO2 的物相为单斜相,而CeO2 掺杂ZrO2 为单斜和四方相共存的产品。3.2 实验部分二3.2.1 实验材料与方法 CeO2- ZrO2 二元陶瓷粉末用溶胶凝胶法制备而成, CeO2 摩尔百分含量分别为6、8、10、12, 烧结温度为1500, 烧结时间分别为2、4、8、12、20h。所有烧结后的圆柱试样在有液氮装置的LK02 型快速淬火膨胀仪上重新加热到1200, 保温5min 后, 以一定冷速冷却, t m 马氏体相变温度Ms ) 由测定的热膨胀曲线确定。3.2.2 结果 A 烧结工艺对Ms-马氏体相变温度的影响 烧结工艺对Ms 温度的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧化 铈增韧 氧化锆 陶瓷 研究
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4016321.html