ZrO2-Al2O3两相陶瓷复合材料力学性能与增韧机制的研究.pdf

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1、 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

2、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

3、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

4、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

5、 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

6、 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

7、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

8、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

9、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

10、 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

11、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

12、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

13、，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

14、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

15、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

16、 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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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:/