硅酸鋯陶瓷的制備與表征

王廣芹,陳常連,季家友,鮑世聰,黃志良

(武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

硅酸鋯屬于四方晶系，為島狀結構的硅酸鹽礦物，硅酸鋯因其具有高熔點、低熱導率、低膨脹系數、優良的化學及相穩定性等特點[1-2]，廣泛用于耐火材料和鋯基材料[3-4].鋯英石的燒結較困難，在高溫下靠固相擴散作用，其速度非常緩慢，難于燒結，常需加入某些氧化物促進其燒結[5].鋯英石在高溫下容易分解[6]，其分解出的ZrO2如不進行穩定，隨著溫度的變化會呈現出不同的晶體結構[7-8]，并伴有較大的體積效應，造成產品破壞，制約了硅酸鋯材料的高溫使用及應用領域的進一步拓寬.1975年R. G. Garvie以氧化鈣為穩定劑制得部分穩定氧化鋯，到目前為止，與此相關的研究已有較多[9-12]，主要是在原料中加入添加劑抑制晶型轉變及對材料進行增韌[13]，但是對其高溫分解及分解出的ZrO2進行完全穩定缺乏系統性的研究.

本論文利用鋯英石作原料，通過Y2O3添加量和燒結溫度的變化，系統地研究了硅酸鋯陶瓷的密度、物相及顯微結構的變化，為提高硅酸鋯陶瓷的高溫應用范圍奠定了基礎.

1 實 驗

1.1 原料及配比

實驗原料為硅酸鋯(ZrSiO4，3A，山東辰源超細粉體有限公司生產)和氧化釔(Y2O3,4 N,10 g，國藥).試樣配比如表1所示.

表1 試樣配比

(硅酸鋯燒失量，取98%)

1.2 樣品制備與表征

按表1配方進行配料后進行充分研磨并混合均勻，然后稱取一定量的混合料，在769 YP-24 B型粉末壓片機上壓制成型，成型壓力為90 MPa，坯體直徑為13 mm，然后將坯體置于高溫燒結爐中燒結，升溫速率為6 ℃/min，燒結溫度分別為1 475，1 500，1 525，1 550，1 575 ℃，保溫時間為2 h，燒結完畢后樣品隨爐冷卻至室溫.

樣品經加工后，采用排水法測定樣品體積密度，數顯維氏硬度計(430 SVD，沃伯特測試儀器(上海)有限公司)測定樣品維氏硬度，采用XRD-Rigaku Ultima II型X射線衍射儀對試樣進行物相組成分析，采用掃描電鏡(JSM-5 610LV, QUANTA400)對其顯微結構進行分析.

2 結果分析與討論

2.1 燒結溫度和Y2O3添加量對樣品密度的影響

圖1給出樣品密度隨燒結溫度的變化情況.由圖可見，樣品的密度整體上隨著燒結溫度的增加而增加，但增加的幅度較小，其中添加質量分數為2% Y2O3樣品的密度最低，介于4.2～4.3 g/cm3之間，與添加質量分數為4%～8 % Y2O3樣品的密度相近，介于4.25～4.3 g/cm3之間，略高于同溫度下燒結的添加質量分數為2% Y2O3樣品的密度.以上分析表明，燒結溫度和Y2O3添加量的增加對樣品密度的增加雖有一定程度的影響，但影響的幅度較小.

圖1 燒成溫度對不同樣品體積密度的影響

2.2 樣品物相分析

2.2.1 燒結溫度變化對樣品物相的影響 圖2和圖3分別是添加質量分數為4% Y2O3和8% Y2O3的樣品隨燒結溫度變化的XRD圖譜.由圖可以看出，對于添加質量分數為4% Y2O3的樣品，樣品的物相由ZrSiO4和穩定ZrO2(四方相或立方相)組成，主物相為ZrSiO4；穩定ZrO2物相衍射峰強度隨燒結溫度的升高變化并不明顯.而對于添加質量分數為8% Y2O3的樣品，其物相組成同樣為ZrSiO4和穩定ZrO2，主要物相為ZrSiO4，其中1 575 ℃燒結樣品的穩定ZrO2的峰強略高于其它兩個溫度燒結的樣品.

圖2 在不同溫度下燒成的添加質量分數為4% Y2O3樣品的XRD圖

圖3 在不同溫度下燒成的添加質量分數為8% Y2O3樣品的XRD圖

2.2.2 Y2O3添加量變化對樣品物相的影響 圖4和圖5分別是1 475 ℃和1 575 ℃燒結樣品的XRD圖譜.由圖中可以明顯看出，所有樣品都由ZrSiO4和穩定ZrO2組成，主物相為ZrSiO4；對于1 475 ℃燒結的樣品，其穩定ZrO2的峰強較弱，而且隨著Y2O3添加量的增加，穩定ZrO2的峰強并無明顯的變化；對于1 575 ℃燒結的樣品，其穩定ZrO2的峰強隨著Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加有利于促進ZrSiO4的分解.

以上分析表明，樣品的物相均由ZrSiO4和穩定ZrO2組成，主物相為ZrSiO4；對于同一配比的樣品，其穩定ZrO2的峰強隨著燒結溫度的增加基本保持不變，對于同一溫度下燒結的不同配比的樣品，其ZrO2的峰強隨Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加促進了ZrSiO4的分解和穩定ZrO2的生成.

圖4 1 475 ℃燒結樣品的XRD圖譜

圖5 1575 ℃燒結樣品的XRD圖譜

2.3 樣品顯微結構

圖6是部分燒結樣品的SEM圖像.

由圖中可以看出，對于1 475 ℃燒結的樣品，添加質量分數4% Y2O3和8% Y2O3樣品的結構均較為疏松，包含較多形狀不規則的氣孔，晶粒平均粒徑約為4 μm，且較為均勻一致，結合圖1可知，較多氣孔的存在是樣品密度較低的主要因素；而對于1 575 ℃燒結的樣品，添加質量分數4% Y2O3和質量分數8% Y2O3樣品的粒徑未見明顯長大，有較少量的氣孔存在，與前者相比，樣品的致密度有了較大幅度的提高；另外，由圖1可知，1 575 ℃燒結的添加質量分數8% Y2O3樣品的密度最大，除燒結溫度較高這一因素外，還與該樣品中較多穩定ZrO2的存在有關，因為穩定ZrO2的密度明顯高于ZrSiO4材料的密度.氣孔及穩定ZrO2的存在，是影響材料密度的重要因素.

(a:1 475 ℃燒結,質量分數4% Y2O3; b:1 475 ℃燒結,質量分數8% Y2O3;c:1 575 ℃燒結,質量分數4% Y2O3; d:1 575 ℃燒結,質量分數8% Y2O3)

2.4 燒結溫度和Y2O3添加量對樣品維氏硬度的影響

圖7給出樣品維氏硬度隨Y2O3添加量和燒結溫度的變化情況.由圖可見，當燒結溫度相同時，樣品的硬度在Y2O3添加量為2%～6%范圍內隨著添加量的增加而增大，當添加量超過這一范圍時，硬度減小，其中添加量在2%～4%范圍內硬度增幅較大；當Y2O3添加量相同時，樣品的硬度隨著燒結溫度的升高而增大.樣品硬度從1 500 ℃到1 525 ℃有較大幅度的提高，最大增幅可達2.2 GP，其中添加6%Y2O3于1 575 ℃燒結的樣品硬度最大，為11.0 GP.以上分析表明，燒結溫度和Y2O3添加量對樣品硬度均有較大影響，其中燒結溫度較Y2O3添加量對樣品硬度影響稍大.

圖7 Y2O3添加量對不同樣品維氏硬度的影響

3 結 語

a.燒結溫度和Y2O3添加量的增加對樣品密度的增加雖有一定程度的影響，樣品的密度在4.2～4.4 g/cm3之間，變化的輻度較小.

b.樣品的物相均由ZrSiO4和穩定ZrO2組成，Y2O3添加量的增加促進了ZrSiO4的分解和穩定ZrO2的生成.

c.低溫燒結樣品的結構較為疏松，包含較多形狀不規則的氣孔，晶粒平均粒徑約為4 μm，隨著燒結溫度的增加，樣品的晶粒粒徑基本不變，但氣孔數量大大減少，材料的致密度有了較大提高，氣孔及穩定ZrO2的存在，是影響材料密度的重要因素.

d.隨著Y2O3添加量的增加樣品硬度先增大再減小，溫度升高有助于硬度的提高，其中添加質量分數6%Y2O3于1 575 ℃燒結的樣品硬度最大，可達11.0 GP.

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