放電等離子燒結工藝對Z r B2-Y A G陶瓷力學性能的影響

宋杰光王秀琴王偉元張小強馬永紅吳龍彪吳 婷張聯盟

（1.九江學院機械與材料工程學院，九江：332005；2.九江學院圖書館,九江：332005；3.武漢理工大學材料復合新技術國家重點試驗室，武漢：430070）

放電等離子燒結工藝對Z r B2-Y A G陶瓷力學性能的影響

宋杰光1王秀琴2王偉元1張小強1馬永紅1吳龍彪1吳 婷1張聯盟3

（1.九江學院機械與材料工程學院，九江：332005；2.九江學院圖書館,九江：332005；3.武漢理工大學材料復合新技術國家重點試驗室，武漢：430070）

ZrB2具有優良的物理特性和化學穩定性而應用于許多領域，但是ZrB2難以燒結致密和在高溫條件下容易被氧化。為了充分發揮ZrB2的優點，改善ZrB2的缺點，本文采用共沉淀法制備殼核式Al2O3-Y2O3/ZrB2復合粉體，通過放電等離子燒結法制備高致密的ZrB2-YAG陶瓷。研究結果表明：燒結溫度由1300℃到1700℃時，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大；在20MPa前，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性隨著燒結壓力增大而逐漸增大；在保溫時間小于4min，陶瓷的楊氏模量和斷裂韌性隨著保溫時間的延長而增大。

ZrB2，YAG，殼-核結構，共沉淀法，放電等離子燒結

1 引言

ZrB2具有極高的熔點、強度、硬度和導電率，且導電率溫度系數為正，低的熱膨脹系數，好的化學穩定性、捕集中子、阻燃、耐熱、耐腐蝕和輕質等特殊性質，因此，應用領域非常廣泛[1-2]。ZrB2熔點高，難以燒結致密，純ZrB2的燒結需要2300℃以上的高溫。如何提高ZrB2陶瓷的致密度一直是一個研究的重點。近年來國內外諸多學者對二硼化鋯復合材料的燒結致密化工藝進行了大量的研究工作[3-4]。

釔鋁石榴石簡稱YAG，分子式為Y3A15O12，是由氧化釔和氧化鋁高溫下反應生成的一種具有石榴石結構的化合物。屬氧化物族，立方晶系。YAG熔點為1970℃，YAG晶粒之間沒有形變，因此表現出了很好的高溫蠕變特性，是目前所知抗蠕變性能最好的氧化物材料。其強度和韌性可以保持在其熔點附近而不降低。YAG直到1600℃時斷裂應力變化都不大。YAG還具有很好的化學穩定性，幾乎不被酸堿腐蝕。YAG在高溫氧化氣氛中也十分穩定，保持100小時重量沒有任何變化。因此，YAG也被認為是高溫結構用材料的候選材料之一[5-8]。

雖然ZrB2具有優良的物理特性和化學穩定性而應用于許多領域，但是ZrB2難以燒結致密和在高溫條件下容易被氧化。為了充分發揮ZrB2的優點，改善ZrB2的缺點，本文采用共沉淀法制備YAG前驅體A1(OH)3-Y(OH)3包覆ZrB2粉體，最終得到包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體作為制備高致密具有殼-核結構的YAG-A12O3/ZrB2高溫復相陶瓷。

2 試驗

2.1 陶瓷的制備

采用日本住友石炭礦業株式會社制造的放電等離子燒結爐(SPS-1050)進行ZrB2-YAG陶瓷的燒結研究。具體燒結步驟為：將A12O3-Y2O3/ZrB2復合粉體(圖1)裝入石墨模具并放入SPS燒結爐中，真空度小于20Pa，加壓，升溫速度為100℃/min進行燒結并保溫，保溫完畢后試樣隨爐冷卻。用透射電鏡(型號：TEM JEM-2010,Japan)分析復合粉體的外觀形貌。

采用高精密磨床對試樣表面進行打磨拋光，并用超聲波對其進行清洗，烘干得到備用試樣(Ф20mm)(圖 2)。

2.2 陶瓷性能測試

采用超聲波脈沖回波法對試樣的橫波和縱波聲速進行測試，并通過公式1對楊氏模量進行計算。所使用的測量儀器為超聲信號發生接收器 (型號：Panametrics 5072PR)和示波器(型號：TD S2022)。

式中：E為楊氏模量，ρ為試樣密度，Ct為橫波聲速，Cl為縱波聲速。

材料的斷裂韌性采用壓痕法進行測試，儀器為HX-1000顯微硬度計(上海泰明光學儀器有限公司)，其計算公式2所示。

式中：KIC為斷裂韌性，E為楊氏模量，HV為維氏硬度，P為壓力，C為裂紋半長。

3 結果與討論

3.1 燒結溫度的影響

圖3和圖4是燒結溫度與陶瓷力學性能之間的關系圖，從圖中可以看出，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度都隨著燒結溫度的升高而增大。燒結溫度由1300℃到1700℃時，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大。這主要是由于在此過程中陶瓷內部正處于致密化過程，使得陶瓷的致密度有了很大的提升。1800℃與1700℃相比，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性沒有明顯變化。這主要是因為1800℃與1700℃相比，陶瓷致密化程度變化不明顯。因此確定陶瓷燒結溫度為1700℃。

3.2 燒結壓力的影響

圖5和圖6是燒結壓力與陶瓷力學性能的關系圖。從圖中可以看出，在20MPa前，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結壓力增大而逐漸增大。隨著燒結壓力增大，陶瓷致密度升高，使陶瓷中具有少量細小孔隙(圖7)，它們能夠在陶瓷產生裂紋時起到鈍化裂紋擴展的作用[9-10]。在20MPa后，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結壓力增大增量不多。因為在此20MPa后，陶瓷的致密度程度變化不明顯。因此可確定燒結壓力為20MPa。

3.3 保溫時間的影響

圖8和圖9是保溫時間與陶瓷力學性能之間的關系圖，從圖中可以看出，在保溫時間小于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時間的延長而增大；保溫時間大于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時間的延長增大較小。因此，確定保溫時間為4min。保溫4min，陶瓷的楊氏模量和斷裂韌性分別為430GPa和3.76MPam1/2。

4 結論

(1)陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度都隨著燒結溫度的升高而增大。燒結溫度由1300℃到1700℃時，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性都增大。而1800℃與1700℃相比，陶瓷楊氏模量和斷裂韌性沒有明顯變化。

(2)在20MPa前，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結壓力增大而逐漸增大。在20MPa后，陶瓷楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著燒結壓力增大增量不多。

(3)在保溫時間小于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時間的延長而增大；保溫時間大于4min，陶瓷的楊氏模量、斷裂韌性和硬度隨著保溫時間的延長增大較小。

1 Fahrenholtz W G.The ZrB2volatility diagram.J.Am.Ceram.Soc.,2005,88:3509～3512

2 宋杰光,紀崗昌,李世斌等.ZrB2-YAG陶瓷的燒結致密化研究.硅酸鹽學報,2009,37(4):102～106

3 宋杰光,羅紅梅,杜大明等.二硼化鋯陶瓷材料的研究及展望.材料導報,2009,23(2):43～46

4 宋建榮,劉蓓蓓,李俊國.ZrB2/ZrO2復合粉體的放電等離子燒結行為.硅酸鹽學報,2002,30(4):486～490

5 Ivanauskas F.On the modeling of solid state reactions synthesis of YAG.J.Math.Chem.,2005,37(4):365～376

6 Zarzecka M.YAG powder synthesis by the modified citrate process.J.Eur.Ceram.Soc.,2007,27:593～597

7 Wang S J.Synthesis of yttrium aluminum garnet(YAG)from an ethylenediaminetetraacetic acid precursor.Mater.Sci.Eng.B,2006,127:203～206

8 Laine R M.A new YAG phase produced by liquid-feed flame spray pyrolysis.Adv.Mater.,2005,17(7):830～833

9 全建峰,陳大明.納米YAG/A12O3復相陶瓷材料性能與微觀結構研究.真空電子技術,2006,4:8～13

10 Xu C H.Preparation and performance of an advanced multiphase composite ceramic material.J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25:605～611

EFFCT OF SPARK PLASMA SINTERING TECHNOLOGY ON THE MECHANICAL PROPERTY OF ZrB2-YAG CERAMICS

Song Jieguang1Wang Xiuqin2Wang Weiyuan1Zhang Xiaoqiang1Ma Yonghong1Wu Longbiao1Wu Ting1Zhang Lianmeng3
(1.School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005;2.Library of Jiujiang University,Jiujiang 332005;3.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

Because ZrB2has some excellent physical performance and chemical stability,it has been widely applied in a lot of fields,but ZrB2is too difficult to be densified during sintering and easy to be oxidized at high temperature.To keep advantages and improve disadvantages of ZrB2,A12O3-Y2O3/ZrB2composite powders with shell-core structure are prepared by co-precipitation,and then high density ZrB2-YAG ceramics are prepared by spark plasma sintering.Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are increased by increasing sintering temperature from 1300℃ to 1700℃.When the sintering pressure is less than 20MPa,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the sintering pressure.When the holding time is less than 4 min,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the holding time.

ZrB2,YAG,shell-core structure,co-precipitation method,spark plasma sintering

on Oct.23,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0195-04

2009-10-23

江西省教育廳青年科學基金項目（編號：GJJ09595）,江西省高校省級教改項目（編號：JXJG-09-17-6），九江學院大學生自主創新性實驗項目

宋杰光，E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn

Song Jieguang,E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn