無壓燒結(jié)過程中氧化物納米陶瓷致密化與晶粒長大的研究.pdf

1、本工作采用簡單的濕化學(xué)方法，合成了不同顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)的TiO2、Y-TZP、α-Al2O3、YSZ/Al2O3四個體系的納米粉體，并對其平均顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)進行了表征。根據(jù)不同氧化物納米粉體的燒結(jié)特性，采用常規(guī)無壓燒結(jié)技術(shù)，制備了TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷。研究了初始粉體特征、生坯特征和燒結(jié)條件對TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷燒結(jié)行為的影響。對所制備的

2、納米陶瓷的相組成、微觀結(jié)構(gòu)、相對密度和平均晶粒尺寸進行了表征，研究了TiO2、Y-TZP、Al2O3、YSZ/Al2O3四種氧化物納米陶瓷晶粒長大與致密化的相互關(guān)系，同時開展了納米陶瓷的相對密度、相組成和微觀結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能影響的初步研究。獲得或發(fā)現(xiàn)以下一些較有意義的結(jié)果： 1.采用溶膠—凝膠技術(shù)制備了不同顆粒尺寸和相結(jié)構(gòu)的TiO2納米粉體，TiO2納米粉體的顆粒尺寸隨煅燒溫度的升高而增大。當煅燒溫度小于500℃時，TiO2粉體

3、為銳鈦礦結(jié)構(gòu)；當煅燒溫度大于600℃時，TiO2粉體為金紅石結(jié)構(gòu)；晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可導(dǎo)致TiO2顆粒的快速長大。TiO2生坯的相對密度隨成型壓力和初始粉體顆粒尺寸的增大而增加。在500-600℃之間燒結(jié)的TiO2納米陶瓷由銳鈦礦相和金紅石相組成，而700℃以上燒結(jié)的TiO2納米陶瓷僅僅由金紅石相組成；高的成型壓力限制了燒結(jié)過程中銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變，使銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變溫度由粉體的600℃升高到700℃。當800℃以下燒結(jié)時，Ti

4、O2納米陶瓷的相對密度隨燒結(jié)溫度的升高而快速增大，而TiO2納米陶瓷的平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度升高而緩慢長大；當大于800℃的溫度燒結(jié)時，TiO2納米陶瓷的晶粒尺寸則快速長大。利用相變輔助無壓燒結(jié)方法在800℃燒結(jié)獲得了晶粒尺寸不到60nm、相對密度超過95％的TiO2納米陶瓷。TiO2納米陶瓷的顯微硬度主要取決于TiO2納米陶瓷的相對密度和平均晶粒尺寸，陶瓷的相對密度越大，晶粒尺寸越小，則顯微硬度越高。 2.采用沉淀法制備了不同

5、顆粒尺寸的Y-TZP納米粉體，粉體的顆粒尺寸隨煅燒溫度升高而增大。當煅燒溫度為1000℃時，Y-TZP納米粉體中有少量的單斜相出現(xiàn)。Y-TZP納米陶瓷的相對密度隨著燒結(jié)溫度的升高和燒結(jié)時間的延長而增大，但隨成型壓力和初始粉體顆粒的增大而減小。Y-TZP納米陶瓷的平均晶粒尺寸首先隨燒結(jié)溫度的升高而長大，在1450℃達到最大值62nm后隨溫度的進一步升高而平均晶粒尺寸減小。Y-TZP納米陶瓷平均晶粒尺寸隨成型壓力的增大和燒結(jié)時間延長而長大。

6、大顆粒的粉體、高的成型壓力和高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致Y-TZP納米陶瓷中大量單斜ZrO2生成，而大量單斜ZrO2的生成將改變Y-TZP納米陶瓷的燒結(jié)行為和微結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致ZrO2納米陶瓷平均晶粒尺寸的減小。顆粒為12nm的初始粉體在500MPa的壓力下成型的生坯經(jīng)1450℃、10h的無壓燒結(jié)獲得了相對密度為98％、平均晶粒尺寸為60nm的Y2O3穩(wěn)定的四方ZrO2納米陶瓷。Y-TZP納米陶瓷的顯微硬度主要取決于Y-TZP納米陶瓷的相對密度、相結(jié)構(gòu)

7、和晶粒尺寸。同時，在顯微硬度測定過程中所有樣品的壓痕邊緣都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明所制備的Y-TZP納米陶瓷具有良好的韌性。 3.采用添加α-Al2O3晶種的高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備了不同顆粒尺寸的α-Al2O3粉體，粉體的平均顆粒尺寸和團聚程度隨高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠劑中丙烯酰胺與硝酸鋁摩爾比的增大而減小。當丙烯酰胺與硝酸鋁的摩爾比為120：1時，獲得了顆粒大小約為10nm、團聚較輕的α-Al2O3粉體。α-Al2O3晶種的加入可明顯降低高分子

8、網(wǎng)絡(luò)凝膠法制備α-Al2O3粉體的相生成溫度，在950℃的低溫下可獲得α-Al2O3納米粉體。Al2O3生坯的相對密度隨成型壓力的增大而增加。Al2O3陶瓷的相對密度隨初始粉體顆粒尺寸的減小和成型壓力的增大而增加。盡管Al2O3陶瓷的相對密度和平均晶粒尺寸都隨燒結(jié)溫度的升高而增大，但Al2O3陶瓷的平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度的變化不同于其相對密度隨燒結(jié)溫度的變化，Al2O3納米陶瓷的致密化與晶粒的快速長大發(fā)生在不同的溫度區(qū)域。據(jù)此，采用兩步

9、燒結(jié)法首次獲得了晶粒尺寸為70nm、相對密度為95％的Al2O3納米陶瓷。在第一步燒結(jié)過程中，Al2O3納米陶瓷只達到了一個較高的初始密度，陶瓷晶粒的快速長大被避免；在第二步燒結(jié)過程中，三叉晶界和氣孔阻止了晶界的遷移，但晶界擴散仍處于有效的活躍狀態(tài)，從而在Al2O3陶瓷晶粒沒有長大的前提下實現(xiàn)了Al2O3納米陶瓷的致密化。 4.采用共沉淀法制備了YSZ含量不同YSZ/Al2O3納米復(fù)合粉體。當煅燒溫度為1300℃時，復(fù)合粉體由四

10、方ZrO2和α-Al2O3組成。粉體中α-Al2O3的平均顆粒大小隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而減小，而四方ZrO2的平均顆粒尺寸幾乎不隨復(fù)合粉體中YSZ含量增加而變化，其值在41-47nm之間。當復(fù)合粉體中YSZ含量在20-85mol％之間時，YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的相對密度超過95％，而且隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而略有增大；復(fù)合粉體中YSZ含量超過85mol％或小于20mol％都不利于YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的致密

11、化。復(fù)合陶瓷中Al2O3和ZrO2的晶粒尺寸隨復(fù)合粉體中YSZ含量的增加而減小。YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷中Al2O3和ZrO2形成晶內(nèi)/晶間型的混合納米結(jié)構(gòu)。YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的顯微硬度主要取決于其相對密度、組成和相結(jié)構(gòu)；當復(fù)合粉體中YSZ含量為20mol％時，YSZ/Al2O3納米復(fù)合陶瓷的顯微硬度高達19.8GPa。同時，在顯微硬度測定過程中所有樣品的壓痕邊緣都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明所制備的YSZ/Al2O3的納米復(fù)合