氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA陶瓷)性能分析
2022-05-16
来源:cq9电子特瓷
作者:谢勇
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氧化铝陶瓷作为当下应用较广、性价比较高的工业陶瓷之一,其超高的硬度、出色的耐磨能力、稳定的化学性能等都让其在工业防磨领域备受青睐。但是氧化铝陶瓷脆性大、断裂韧性低(仅为2.5—4.5MPa•m1/2 )的特性却限制了其在大冲击工况中的使用。那么氧化铝陶瓷如何提升断裂韧性呢?
一、增韧方法
目前,提高氧化铝陶瓷断裂韧性主要有三种方法:
1. 引入第二相。在氧化铝陶瓷的基体中引入第二相,使其填充到氧化铝的晶界处,从而有利于阻断裂纹的传播,进而提高陶瓷的断裂韧性。
2. 加入氧化铝籽晶。因为籽晶的加入,能促使晶粒的异向生长,异向生长会形成片状以及柱状的晶粒,这种晶粒类似于晶须,从而对陶瓷有裂纹偏移、晶粒拔出、连接增韧的作用。
3. 形成缺陷分布。通过粉体的合成过程或陶瓷的制备过程中形成缺陷分布,从而改善氧化铝陶瓷的断裂韧性。
氧化锆增韧氧化铝就是采用引入第二相的方法提升氧化铝断裂韧性。
cq9电子特瓷研发生产的氧化锆增韧氧化铝陶瓷(也叫ZTA陶瓷)是在氧化铝中加入一定比例的氧化锆,给α-氧化铝晶体中引入氧化锆作为第二相,填充到氧化铝的晶界处,阻断裂纹的传播,提升陶瓷断裂韧性。
二、增韧原理
1、氧化锆晶粒的存在,能固定、强化氧化铝陶瓷的晶界,从而能减弱裂纹的影响。
2、氧化锆的弹性模量和热膨胀系数都与氧化铝有所不同,由于它们这两种性质的差别,当氧化锆填充在氧化铝晶界处时,氧化锆晶粒会受到氧化铝晶粒对其产生的径向压应力,从而被紧紧地夹住,当遇到外力作用时,裂纹会发生偏转,进而提高了陶瓷的断裂韧性。
数据分析表明,当烧结温度低于1500℃时,烧结体的致密度比较低,说明此时陶瓷中可能还存在大量的气孔未排除。当烧结温度达到1500℃时,其致密度有大幅度的提升,甚至其中纯氧化铝的烧结体致密度达到99%以上。但进一步提高烧结温度,纯氧化铝的烧结体致密度出现减小,反而掺有不同比例氧化锆的氧化铝-氧化锆烧结体致密度进一步增加,且高于纯氧化铝烧结体。从不同配比的氧化铝-氧化锆烧结体致密度变化趋势看出,当A1/Zr=20时,其致密度最高,达到了 99.4%,此时样品基本完全致密。对于纯氧化铝陶瓷在1600℃时,致密度反而有了小幅的降低,这主要是当温度继续升高时,陶瓷的晶粒会部分异常长大,形成二次再结晶,致使一些气孔被包裹到晶粒内部,从而使陶瓷样品的致密度降低。并且同时有少量的气孔以微小的尺寸存在于晶粒中,气孔在晶粒中可发生迁移,从而引发气孔合并,导致较大气孔的出现,最终导致样品的致密度小幅降低。
也就是说,在1600℃的温度下烧结出的氧化锆增韧氧化铝陶瓷性能较好,其断裂韧性可达7.6MPa•m1/2,比纯氧化铝陶瓷提升了近一倍,可以用于矿山、码头、港口等重磨损强冲击工况。