氧化锆陶瓷简介_.doc

1 考试序列号 33 课程设计课程名称机械工程材料题目名称氧化锆简述校区学院机电学院专业班级学号学生姓名联系方式 2014 年4月 18日 2 氧化锆简述 1 氧化锆锆在地壳中的储量超过 Cu 、 Zn 、 Sn、 Ni 等金属的储量,资源丰富。世界上已探明的锆资源约为 1900 万吨,矿石品种约有 20 种,主要含有如下几种化合物: 二氧化锆; 正硅酸锆); 锆硅酸钠、异性石和负异性石矿中含锆量非常低,无工业价值,因而锆的主要来源为单斜锆矿和锆英石矿,其中以锆英石矿分布广[1]。纯 ZrO 2 为白色,含杂质时呈黄色或灰色,一般含有 HfO 2 ,不易分离。单斜 ZrO 2 密度 3 ,熔点 2715 ℃。 ZrO 2 具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。上个世纪二十年代开始就被用来作为熔化玻璃、冶炼钢铁等的耐火材料。 2 ZrO 2 晶型转化和稳定化处理在常压下纯 ZrO 2 共有三种晶态:单斜氧化锆( m-ZrO 2) 、四方( Tetragonal )氧化锆( t-ZrO 2 )和立方氧化锆( c-ZrO 2) ,上述三种晶型存在于不同的温度范围,并可以相互转化[4]: 1170 ℃ 2370 ℃ m- ZrO 2 t- ZrO 2 c- ZrO 2 950 ℃ 2370 ℃ ZrO 2 四方相与单斜相之间的转变是马氏体相变,由于四方相转变为单斜相时有 3~5% 的体积膨胀和 7~8% 的切应变。因此,纯 ZrO 2 制品往往在生产过程(从高温到室温的冷却过程)中会发生 t-ZrO 2 转变为 m-ZrO 2 的相变并伴随着体积变化而产生裂纹,甚至碎裂,因此无多大的工程价值。但是,当加入适当的稳定剂(如 Y 2O 3 ,MgO 2 ,CaO,CeO 2 等)后,可以降低 c-ZrO 2→ t-ZrO 2与 t-ZrO 2→ m-ZrO 2 的相变温度,使高温稳定的 c-ZrO 2和 t-ZrO 2 相也能在室温下稳定或亚稳定存在。当加入的稳定剂足够多时,高温稳定的 c-ZrO 2 可以一直保持到室温不发生相变。进一步研究发现氧化锆发生马氏体相变时伴随着体积和形状的变化,能吸收能量,减缓裂纹尖端应力集中,阻止裂纹的扩展,提高陶瓷韧性。因此氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到迅速发展。氧化锆相变增韧陶瓷有三种类型,分别为部分稳定氧化锆陶瓷;四方氧化锆多晶体陶瓷及氧化锆增韧陶瓷[5]: (1 )当 ZrO 2 中稳定剂加入量在某一范围时,高温稳定的 c-ZrO 2 通过适当温度下时效处理使 c-ZrO 2 大晶粒( c 相)中析出许多细小纺锤状的 t-ZrO 2(t 相)晶粒,形成 c 相和 t 相组成的双相组织结构。其中 c 相是稳定的而 t 相是亚稳定的并一直保存到室温。在外力诱导下有可能诱发 t 相到 m 相的马氏体相变并伴随体积膨胀,耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到增韧作用,称为应力诱导相变增韧。这种陶瓷称之为部分稳定氧化锆,当稳定剂为 CaO 、 MgO 、Y 2O 3 时,分别表示为 Ca-PSZ 、 Mg-PSZ 、 Y-PSZ 。(2 )当 ZrO 2 中稳定剂加入量控制在适当量时可以使 t-ZrO 2 以亚稳状态稳定保存到室温,那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的 t- Zr