氧化锆-氧化锆/氧化铝层状复合陶瓷的制备研究

作     者：武敬君 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石棋

授予年度：2020年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：氧化锆 氧化锆/氧化铝 层状复合 热膨胀 石英 

摘      要：氧化锆、氧化铝作为使用非常广泛的先进陶瓷材料一直被人们青睐,但是随着技术的发展,市场也趋于饱和,陶瓷产品的市场竞争愈演愈烈,为适应市场需要、提高产品的竞争力,各厂家对产品的性能提出了更高的要求:高韧性、高强度、耐高温、高的抗热震性能。而层状复合陶瓷作为新型结构陶瓷被越来越多的人研究,因此制备氧化锆-氧化铝系层状复合陶瓷替代氧化锆制品既能满足市场需要,又能节省锆资源。目前人们研究氧化锆-氧化铝系层状复合陶瓷多以表面薄层为主,约200-500μm,在一些高温领域此种结构设计不能满足使用要求,而且大部分表层不是氧化锆而是氧化锆复合氧化铝陶瓷,氧化铝易于其他组分高温下反应。因此目前的氧化锆-氧化铝系层状复合陶瓷还不能很好的满足市场需求。因此,本课题主要研究厚层复合的表层为氧化锆的氧化锆-氧化锆/氧化铝层状复合陶瓷。本文以部分稳定氧化锆、氧化锆(单斜相)、石英、碳酸钙、氧化铝等为原料进行研究。影响氧化锆-氧化锆/氧化铝实现厚层复合的最大因素为氧化锆和氧化铝基体的热膨胀差异过大。在烧结过程和降温过程中层间热应力会导致在层界面处出现应力集中的现象从而导致复合陶瓷发生层裂现象。根据上述现象实验,通过调整氧化锆/氧化铝层与部分稳定氧化锆层的热膨胀曲线使之互相匹配制备PSZ(FSZ)-Zr O/AlO层状复合陶瓷。通过强度测试、XRD、热膨胀、扫面电镜等测试探究氧化锆/氧化铝层中氧化锆含量及石英添加量、对氧化锆/氧化铝层陶瓷热膨胀的影响、造孔剂对氧化锆陶瓷的影响,及对层状复合陶瓷复合结果及强度、抗热震等方面的影响。实验结果表明通过调整各层的热膨胀曲线可以实现PSZ-ZrO/AlO层状复合陶瓷的厚层复合。FSZ-Zr O/AlO层状复合陶瓷由于全稳定氧化锆层与氧化铝层热膨胀差异较大导致实验失败。通过热膨胀测试发现当PSZ-ZrO/AlO层状复合陶瓷氧化锆/氧化铝层配方为:3Y-PSZ(0g)、AlO(80g)、3gSiO、1.07gCaCO时与部分稳定氧化锆层热膨胀接近,复合结果较好。通过XRD、EDS测试推测SiO与CaO和AlO高温下形成CaO-AlO-SiO三元系统并共融成液相,在层界面附近由氧化锆/氧化铝层通过液相流动传质的方式至氧化锆层,从而起到消除部分层间应力的作用使两层材料更好的结合。降温过程中形成的钙长石、莫来石等低热膨胀系数的物质弥散在晶粒之间,阻碍了氧化铝的收缩应力作用于氧化锆晶粒,促使四方氧化锆完成向单斜相的转变,使氧化铝层的热膨胀曲线趋近于氧化锆层,解决因热膨胀不同导致复合陶瓷的层间开裂、变形等问题。