陶瓷材料

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氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA陶瓷)性能分析

2023-05-16 精城特瓷

        氧化鋁陶瓷作為當下應用較廣、性價比較高的工業陶瓷之一,其超高的硬度、出色的耐磨能力、穩定的化學性能等都讓其在工業防磨領域備受青睞。但是氧化鋁陶瓷脆性大、斷裂韌性低(僅為2.5—4.5MPa•m1/2 )的特性卻限制了其在大沖擊工況中的使用。那么氧化鋁陶瓷如何提升斷裂韌性呢?
 

 

一、增韌方法

        目前,提高氧化鋁陶瓷斷裂韌性主要有三種方法:
        1. 引入第二相。在氧化鋁陶瓷的基體中引入第二相,使其填充到氧化鋁的晶界處,從而有利于阻斷裂紋的傳播,進而提高陶瓷的斷裂韌性。
        2. 加入氧化鋁籽晶。因為籽晶的加入,能促使晶粒的異向生長,異向生長會形成片狀以及柱狀的晶粒,這種晶粒類似于晶須,從而對陶瓷有裂紋偏移、晶粒拔出、連接增韌的作用。
        3. 形成缺陷分布。通過粉體的合成過程或陶瓷的制備過程中形成缺陷分布,從而改善氧化鋁陶瓷的斷裂韌性。
        氧化鋯增韌氧化鋁就是采用引入第二相的方法提升氧化鋁斷裂韌性。
        精城特瓷研發生產的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(也叫ZTA陶瓷)是在氧化鋁中加入一定比例的氧化鋯,給α-氧化鋁晶體中引入氧化鋯作為第二相,填充到氧化鋁的晶界處,阻斷裂紋的傳播,提升陶瓷斷裂韌性。
 

二、增韌原理

        1、氧化鋯晶粒的存在,能固定、強化氧化鋁陶瓷的晶界,從而能減弱裂紋的影響。
        2、氧化鋯的彈性模量和熱膨脹系數都與氧化鋁有所不同,由于它們這兩種性質的差別,當氧化鋯填充在氧化鋁晶界處時,氧化鋯晶粒會受到氧化鋁晶粒對其產生的徑向壓應力,從而被緊緊地夾住,當遇到外力作用時,裂紋會發生偏轉,進而提高了陶瓷的斷裂韌性。
        數據分析表明,當燒結溫度低于1500℃時,燒結體的致密度比較低,說明此時陶瓷中可能還存在大量的氣孔未排除。當燒結溫度達到1500℃時,其致密度有大幅度的提升,甚至其中純氧化鋁的燒結體致密度達到99%以上。但進一步提高燒結溫度,純氧化鋁的燒結體致密度出現減小,反而摻有不同比例氧化鋯的氧化鋁-氧化鋯燒結體致密度進一步增加,且高于純氧化鋁燒結體。從不同配比的氧化鋁-氧化鋯燒結體致密度變化趨勢看出,當A1/Zr=20時,其致密度最高,達到了 99.4%,此時樣品基本完全致密。對于純氧化鋁陶瓷在1600℃時,致密度反而有了小幅的降低,這主要是當溫度繼續升高時,陶瓷的晶粒會部分異常長大,形成二次再結晶,致使一些氣孔被包裹到晶粒內部,從而使陶瓷樣品的致密度降低。并且同時有少量的氣孔以微小的尺寸存在于晶粒中,氣孔在晶粒中可發生遷移,從而引發氣孔合并,導致較大氣孔的出現,最終導致樣品的致密度小幅降低。
        也就是說,在1600℃的溫度下燒結出的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷性能較好,其斷裂韌性可達7.6MPa•m1/2,比純氧化鋁陶瓷提升了近一倍,可以用于礦山、碼頭、港口等重磨損強沖擊工況。
 
 
  文/謝勇
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