ZrO2-Al2O3两相陶瓷复合材料力学性能与增韧机制的研究.pdf

2 0 0 5年 3月 第 1 9 卷第 1 期、南昌航空工业学院学报(自然科学版)J o u rn a l o f N a n c h a n g I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n ce)Ma r ，2 0 0 5 V 0 1 1 9 N o 1 Z r O 2 一A 1 2 0 3 两相 陶瓷复合材料力学 性能与增韧机制的研究 陈德勇，黎俊初，闵嗣林，杨刚(南昌航空工业学院材料科学与工程系，江西 南昌 3 3 0 0 3 4)关键词 氧化锆；氧化铝；力学性能；增韧机制 摘要 研究 了z r 0 2 一 J 2 O 3 二元复相陶瓷材料的力学性能、烧结行为和增韧机制。研究结果表明 z r A I O 3 复相陶瓷 可以在体积分数为 1 0 3 0 的纳米 Z r O 2 含量范围内都保持较高的抗弯强度和断裂韧性；Z r O 2 颗粒的存在能够有效抑制 晶界运动从而达到促进材料致密化、改善显微结构的目的。在 Z r O 2 一 J 2 0 3 复相陶瓷中相变增韧和裂纹偏转是主要的增韧 机制。此外，Z r O 2 纳米颗粒使位错钉扎或堆积，起到了分散阻碍裂纹的作用，达到强韧化效果。中图分类号 T G 1 4 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 9 2 6(2 0 0 5)0 1 0 0 4 5 0 4 S t u d y o n t h e s t r u c t u r e s a n d p r o p e r t i e s o f Zr O2 A1 2 03 c o mp o s i t e s C HEN Dey 0 n g，1 3 J u nc h u，MI N S i l i n，YAN G G a n g (【，l c ，l g I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l T e c h n o l o g y，【，lc ，j io g x i 3 3 0 0 34 C h n a)Ke y w o r d s：Z 1 0 2；o 3；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s；t o u g h e n i n g m e c h a n i s m s Ab s t r a c t：T h e mech a n i c p r o p e r ti e s，s i n t e r i n g b e h a v i o r a n d t o u g h e nin g mech a n i s m o f Z r 0 2一 0 3 c o mp o s i t e c e r a mi c s a l e i n v e s ti g a t e d，nle r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e f e r e n ti a l fl e x u r a l m-n g t h a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s C an b e o b t a i n ed w h e n Z 1 0 2 c o n t e n t i s i n the r a n g e o f 1 0 一3 0 I t i s a l s o i n d i c a t e d t h a t Z r O：p a r t i c l es c a n h i n d e r t h e mo v e me n t o f g r a i n b o u n d a r i e s，a c c e l e r a t e d e n s i fi c a t i o n and i mp r o v e mi c r o s t r u c t u r e s F u r the r m o r e，th e t o u g h e n i n g me c h a n i s m s i n c l u d e t r a n s f o r m a t i o n t o u g h e ning and c mc k i n fl ect i o n t o u g h e ningB e s i d es，D i s l o c a t i o n i s fi x a t ed b y z 1 n a n o p a r t i c l e s，whic h b l o c k s c r a c ks o f s a mp l e，S 0 the t o u g h n e s s o f ma t e ri a l i s i mp mv ed z Io 2 中存在的四方到单斜的相变被认为是改善陶瓷脆性的有效途径 J。1 z P(T e t r a g o n a l Z i r c o n ia P o l y c r y s t a l l i n e)更是由于优良的韧性和强度性能而倍受重视。但是传统 T Z P中所存在的高温失稳 J 和低温时 效劣化现象 J 却大大限制了这种材料的应用领域，一般只适用于室温条件。大量研究结果表明，合理的选择 稳定剂的种类和含量可以有效地改善 T Z P陶瓷材料低温时效劣化L4 J。()3 的存在则可以抑制 z Io 2 的相变，提高四方相的稳定性，同时也改善了 T Z P的高温性能 J。本研究的 目的主要是对(C e，Y)一 T Z PA I 2 0 二元体系进行局部范围组成的研究，通过材料的性能变化 规律来阐明该材料体系中的增韧增强机制以及两相之间的相互作用关系。1 实验方法 1 1 材料 制备 采用配方组成中Z r O 2 含量的质量分数分别为 1 0，2 0，3 0，4 0，5 0，其余相为M2 0 3。氧化铝粉选 用微米粉，氧化锆粉采用平均粒度为4 0 6 0 n m的纳米(c e，Y)一T Z P(四方相氧化锆多晶)。将混合后的粉料 装入球磨罐中，添加无水乙醇作为球磨介质、采用 A 2 0 3 磨球球磨 4 8 h，料浆经烘干、造粒后采用 1 4 5 0(：真空 热压烧结，保温时间为 l h，8 0 0保温结束时加压 2 0 M P a。1 2 分析检测 在金刚石内圆切片机上将烧结后的样品切割成 3 1T I1T I 4 1T I1T I 3 0 1T I1T I 的条状试样，然后进行表面研磨、收稿 日期 2 o o 4 1 1 0 5 作者简介 陈德勇(1 9 7 9 一)，男，南昌航空工业学院材料科学与工程系，硕士研究生。维普资讯 http:/ 南昌航空工业学院学报(自然科学版)抛光。在万能材料试验机上用三点弯曲法测抗弯强度，用单边切口粱法测断裂韧性。用维氏硬度计测定 H V 硬度(载荷为 l k g)。采用 D 8 A D V A N C E型 X射线衍射仪对样品进行物相分析。用 Q u a J 1 ta 2 0 0 扫描电子显微 镜(S E M)Y 察材料表面以及断口形貌，测量晶粒尺寸。2 实验结果与讨论 2 1 组织与性能分析 表 1 各种组分样品的相对密度 表 1 表示了烧结体的相对密度与 Z r O 2 含量的关系。可以看出，试样的相对密度随 Z r O 2 含量的增加先升 高后降低。当加入 2 0 Z r O 2 时，试样的相对密度最高，对应的气孔率就少，这说明在 A 12 0 3 中添加适量的 Z r O 2，可以提高基体的致密度。由 M2 0 3 和 Z r O 2 相图 6 知，2 0 3 和 Z r 几乎不能共溶，因此 M2 0 3 粒子弥散 在 Z r O 基质中，高温烧结过程中起到钉扎作用，阻碍 z r 4 扩散传质的进行以及晶界的移动，从而抑制了 Z r O 2 晶体的生长，有利于材料的烧结。但是，随着 A l2 0 3 含量的增加，材料的烧结动力也就随之减小，此时 A l 2 0 3 对烧结起阻碍作用。从而引起试样的相对密度逐渐降低。材料的硬度随 Z r O 2 含量的增加而下降(见表 2)，这是由于在在 C e-T Z P A 12 0 3 陶瓷中，A 1 2 0 3 是基体，其 硬度较高(莫氏硬度为 9)，但脆性大，Z r O 2 是起增韧作用的第二相，其硬度相对较低(莫氏硬度为 7)，但韧性 好。因此，随 Z r O 2 含量的增加，C e-_ 亿P 2 0 3 陶瓷的硬度呈下降趋势。此外，如前所述 陶瓷的烧结过程其 实质是材料的致密化过程，随烧结温度的增加，陶瓷的致密度增加，而陶瓷的硬度又取决于致密度，因而随烧 结温度的增加，陶瓷的硬度呈增加趋势。Z r O 2 含量对断裂强度和断裂韧性的影响如图 1 所示。从图中可以看 出，强度和断裂韧性的曲线变化基 本相似，复合 G ff fi t h 关系：c r f：Y C C一 2 K】c 随 b 的升高而增加。随着 z 的增加，复合 陶瓷的断裂强度和硬度逐渐增大，当 Z r O 2的含量为 2 0 时，力学性能最好，随着 Z r O 2 含量的增加，复合陶瓷的力学性能逐渐恶化。当Z r O 2 的含量低于 2 0 时，氧化锆均匀地分布在 A 1 2 0 基体中，从而有效地抑制基体晶粒的异常长大，这样就使得材料的烧结过程得 以 充分进行，并且晶粒细小均匀，当Z r O 2 含量等于2 0 时，材料达到充分致密化，此时，材料的细晶强化、弥散 强化及 Z r O 2 的相变增韧效应显著，因而相对密度、三点弯曲强度和断裂韧性等在 Z r O 2 的含量等于2 0 时达 到最大。当 Z r O 2 的含量较高时(2 0)，Z r O 2 不均匀分布 A 1 2 0 基体中，并且这种不均匀的分布也可以从 材料的面扫描结果得到证实(如图 2)。由于这种 Z r O 2 的不均匀分布导致 了局部 i 1 2 0 晶粒的异常长大，从 而对材料的烧结过程产生不利影响，并且随着 Z r O 2 含量的进一步增加，材料的烧结动力也随之减少，此时氧 化锆对烧结起阻碍作用，因此材料的相对密度降低，三点弯曲强度和断裂韧性也随之降低。2 2 增韧机制分 析 对Z r O 2 一A 12 0 3 复相陶瓷进行 x射线衍射分析。图3 是Z r O 2 质量分数分别为 1 0，2 0 ，3 0，5 0，烧 结温度为 1 4 5 0 时，试样表面的 x射线衍射图。图 4 为 2 0 试样的断 口x射线衍射图。维普资讯 http:/ 第 l 期 陈德勇、黎俊初、闵嗣林、杨刚：z r O 2 一A 1 2 0 3 两相陶瓷复合材料力学性能与增韧机制的研究 4 7 一 断裂 韧性 1 O 2 O 3 O 4 O 5 O Z 2 含 量 图 1 Z r O：含量对断裂强度和断裂韧性的影响 1 2 o 0 a 表面S E M b断口S E M 图 2 2 0 O2 样 品的 S E M照 片 由相分析结果可知，2 0 z r()2 的试样在断裂前，Z r()2 以四方相的形式存在。同时，x衍射也表明：试样断 裂后，断口有一定的单斜相 Z r O 2，也就是说，产生了应力诱导相变。通过计算，单斜相相对含量为 7 2，对 韧性的提高有很大的贡献。Z r O 2 由单斜相向四方相转变时有大约 0 1 6的剪切应变及 4 的体积膨胀，从而 产生许多微裂纹。如果微裂纹处于主裂纹前端的作用区，则由于它们的延伸释放了主裂纹的部分应变能，增 加了主裂纹扩展所需阻力，从而有效地抑制 了裂纹的扩展，提高了材料的断裂韧性。材料的弹性应变能主要 将转化为微裂纹的新表面能。这就是 A I2 0 陶瓷的相变诱导微裂纹增韧。在 C e T Z P A 12 0 3 纳米复相陶瓷体系中，弥散相都是独立存在于基体的晶界处，裂纹扩展过程必定会发 生裂纹偏转现象。因此，存在裂纹偏转增韧。3 结论(1)(C e，Y)一 T Z P A 1 2 0 3 二元陶瓷材料在氧化锆含量为 1 0 一 3 0(体积分数)的范围内能够保持优 良 的力学性能。当氧化锆含量为 2 0 时，力学性能最好。维普资讯 http:/ 南 昌航空工业学院学报(自然科学版)3 o(质量)Z r O：烧结温 度：1 4 5 0 2 O 3 O It-Z r O 2 5 0 (质 量)o2 烧结 温度：1 4 50 4 0 5 0 6 0 7 0 2 O 3 O 2 0 图 3 烧结体表面的 x射线衍射图 2 0(质 量)Z 2 40 5 0 6 0 7 O 20 2 o 3 O 4 o 5 O 6 o 7 O 2 0 图 4 2 0 Z r O 试样 的断 口X射 线衍射 图(2)Z r O z 颗粒的存在能够有效抑制晶界运动从而达到促进材料致密化，改善显微结构。(3)Z r 0 2 一A 12 0 3 复合陶瓷强度和韧性的提高主要是由于Z r O 2 的相变增韧和 A 1 2 0 3 颗粒的弥散增韧叠加 作用的结果。(4)Z rO 2 纳米颗粒使位错钉扎或堆积，起到了分散阻碍裂纹的作用，达到强韧化效果。参考文献 l 1 J G r e e n D J，H a n n i n k R H，S w a i n M V T r a n s f o r m a t i o n T o u g h e n i n g o f C e r a m i c s J N e w Y o r k：C R C P r e s s 1 9 8 9 l 2 J S a t o T，S h i m a d a M T r a n s f o r m a t i o n 0 f y tt r i a d q dt e t r a g o n a l Z r O 2 p o】y c r y s t a l s b y a n n e a l i n g i n w a t e r J J A mC e r a m S o e，1 9 8 5；6 8 6 ：3 5 6 3 5 9 3 M i k i o F u k u h a r a J A m C e r a m S o c C ，1 9 8 9；7 2 1 2 ：2 3 6 2 4 2 l 4 J C h e v a l i e r J，G a l e s B，D r o u i n J M t e m p e r a t u r e a g in g 0 f Y T z P c e r a m i c s J A m C e r a m S o j，1 9 9 9，8 2(8)：2 1 50 2 2 0 4 l 5 J G r e e n D J，H a n n i n k R H，S w a i n M V T r a n s f o r m a t i o n T o u g h e n i n g o f C e r a m i c s J N e w Y o rk：C R C P r e s s 1 9 8 9 6 许并社 固体 固体结合与尖端材料研究的现状及动 向 科技前沿尖端科学技术综述 M (第一分册)东京：中国驻 日本大使馆教育处编，1 9 95 8 69 6 维普资讯 http:/