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,(Ca—PSZ),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c—t—m的同质异构转变,其中t—m的相变过程要产生3-5%的体积膨胀,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制造的可转换叶片。与YSZ相比,ZrO2-CeO2陶瓷的断裂韧性为前者的三倍,。-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。表面强化增韧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。·8H20、Ce2(CO3)3·8H2O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)辽宁仪表研究所有限责任公司;X粉末衍射仪(D8Focus)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。(CO3)3·8H2O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ZrOCl2·8H2O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