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上海矽諾國(guó)際貿(mào)易有限公司 2020-06-22 點(diǎn)擊2446次
1 概述
在工業(yè)陶瓷中,，氧化鋁陶瓷（Al2O3）因具有高熔點(diǎn),、高硬度、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和低廉的價(jià)格而受到人們的廣泛關(guān)注,，但是其韌性較低,，限制了工業(yè)應(yīng)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?cè)鲰g和微裂紋增韌的作用，對(duì)Al2O3陶瓷進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng),，從而改善Al2O3陶瓷的韌性,，因此，ZTA陶瓷成為結(jié)構(gòu)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(huì)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(huì)消耗外應(yīng)力場(chǎng)的能量,，進(jìn)而提高Al2O3陶瓷的韌性和強(qiáng)度[1],。ZTA復(fù)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(fù)相陶瓷粉體的制備工藝
燒結(jié)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(jié),，燒結(jié)前粉體的特性對(duì)后續(xù)陶瓷的組織結(jié)構(gòu)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(tuán)聚少以及配比準(zhǔn)確等特點(diǎn),。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(diǎn),。如果把這些制備工藝按照物料體系狀態(tài)的不同進(jìn)行分類(lèi),，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(lái)源廣、操作條件簡(jiǎn)易,、粉體尺寸和性能穩(wěn)定以及生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn),，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(jìn)一步分為溶膠-凝膠法,、化學(xué)共沉淀法、水熱合成法,、醇鹽水解法等,。下面對(duì)三種主要的液相法制備工藝進(jìn)行介紹。
2.1 溶膠-凝膠法
將有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液-溶膠-凝膠-干燥處理,，然后煅燒得到氧化物超細(xì)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(fù)相陶瓷粉體時(shí),，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(jī)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(yīng)在分子水平上均勻進(jìn)行；然后醇鹽與水反應(yīng)生成1nm左右的粒子并形成溶膠,；溶膠經(jīng)陳化得到凝膠,；將凝膠進(jìn)行干燥除去有機(jī)基團(tuán)、殘余水分和有機(jī)溶劑,，得到干燥膠；最后研磨干燥膠并進(jìn)行煅燒,，以除去化學(xué)吸附的羥基,、物理吸附的有機(jī)溶劑和水，得到ZTA 復(fù)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(xì)粉體,，此粉體在1530益下無(wú)壓燒結(jié)獲得致密度較高（大于99%）的ZTA復(fù)相陶瓷。
2.2 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(yáng)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,。高濂等[5]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,。
2.3 水熱合成法
一般來(lái)說(shuō),，金屬鹽類(lèi)在高壓和高溫的水溶液中會(huì)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。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(guò)對(duì)反應(yīng)容器創(chuàng)造一個(gè)高溫,、高壓的環(huán)境,，使金屬鹽類(lèi)在水熱介質(zhì)中溶解，進(jìn)而成核,、生長(zhǎng),，最終形成具有一定結(jié)晶形態(tài)和粒度的晶粒。嚴(yán)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(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。
3 ZTA復(fù)相陶瓷塊體的制備工藝
在ZTA復(fù)相陶瓷粉體制備出來(lái)以后,，可將其燒結(jié)或熔融,，制備得到ZTA 復(fù)相陶瓷塊體，這種塊體更有利于工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用需要,。根據(jù)制備工藝的不同,，ZTA 復(fù)相陶瓷塊體的制備工藝可分為純粉末燒結(jié)、礦物燒結(jié)和電熔等幾種,，下面對(duì)其一一介紹,。
3.1 純粉末燒結(jié)工藝[7]
這種制備工藝是以純物質(zhì)粉末為原材料，對(duì)其進(jìn)行預(yù)制成素坯然后燒結(jié)而成,。純粉末燒結(jié)工藝的制備步驟如下：首先把粉末預(yù)制成素坯,，這種素坯需要具有一定的形狀尺寸、強(qiáng)度和孔隙率,。素坯可以用等靜壓或單,、雙向進(jìn)行壓制成型，也可用軋制或擠壓等可塑法進(jìn)行成型,，還能用注漿,、熱壓注、注射等膠態(tài)法進(jìn)行成型,。每種成型方法之前,，都需要根據(jù)粉體的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行處理。通常將一定量的水和添加劑在粉體處理過(guò)程中加入,，為了防止這些添加物在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中揮發(fā)產(chǎn)生缺陷,，需要在素坯成型后進(jìn)
行排除。最后就是燒結(jié)素坯,，素坯在一定溫度和氣氛下會(huì)發(fā)生顆粒黏結(jié)的現(xiàn)象,，導(dǎo)致強(qiáng)度提高和孔隙率下降，這個(gè)過(guò)程即為燒結(jié),。從本質(zhì)上說(shuō),，燒結(jié)過(guò)程時(shí)固相中的原子或分子相互吸引的過(guò)程。顆粒的黏結(jié)會(huì)形成相互間擴(kuò)散,，導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生遷移,，素坯因此產(chǎn)生強(qiáng)度并逐漸致密化和結(jié)晶化。通常,，有些粉體在燒結(jié)時(shí)還會(huì)伴有固相反應(yīng),、相變和局部熔融。經(jīng)過(guò)燒結(jié)以后，材料的性能（如硬度,、韌性和強(qiáng)度等）可達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，對(duì)其進(jìn)行加工后即可使用。
3.2 燒結(jié)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(jìn)行混合并細(xì)磨,，把紙漿廢液作為結(jié)合劑加入混合物中,，壓制成素坯后干燥，然后在1600益下進(jìn)行煅燒即可得到燒結(jié)鋯剛玉陶瓷,。這種燒結(jié)鋯剛玉陶瓷的正常顯微組織由斜鋯石,，莫來(lái)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(zhì)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(chǎn)最好的鋯英砂化學(xué)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(yīng),，會(huì)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(lǐng)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(zhì)；第二種使用生產(chǎn)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(chǎn)白剛玉的工業(yè)氧化鋁粉和鋯英砂精礦作為原料,。考慮到經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu),，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(zhì)量比配料,，在三相電弧爐內(nèi)于120V 電壓下還原熔融成Al2O3,，然后在130V 電壓下加入一定質(zhì)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(jié)構(gòu)基本相同，均為顆粒狀氧化鋁組成骨架結(jié)構(gòu),，單斜氧化鋯呈柱狀穿插填充在氧化鋁骨架結(jié)構(gòu)的空隙中,。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)相陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛,，需要根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的制備工藝,，才能獲得滿足設(shè)計(jì)和性能要求的陶瓷材料。通過(guò)調(diào)整制備時(shí)的工藝參數(shù),，能獲得致密度更好,、強(qiáng)度更高的陶瓷。