Al2O3-氮化硼納米晶包覆的3%氧化釔穩定的四方氧化鋯多晶復合陶瓷粉體的制備

吳金雙 周磊 邢鶴琳 王喆 董超芳 楊瑟飛

·基礎研究·

Al2O3-氮化硼納米晶包覆的3%氧化釔穩定的四方氧化鋯多晶復合陶瓷粉體的制備

吳金雙1,2周磊1邢鶴琳1王喆3董超芳3楊瑟飛1

1.中國人民解放軍總醫院口腔科，北京 100853；2.云南省玉溪市人民醫院口腔科，玉溪 653100；3.北京科技大學新材料技術研究院，北京 100083

目的 研究非均相沉淀法制備3%氧化釔穩定的四方氧化鋯多晶陶瓷(3Y-TZP)/3%Al2O3復合粉的最佳pH值；3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN雙相包覆中，合成Al2O3及非晶氮化硼（BN）的最佳熱處理溫度。方法 不同pH值（6.5、7.5、8.5、9.5）下，通過非均相沉淀法合成Al2O3前驅體包覆3Y-TZP粉，通過透射電鏡（TEM）選出包覆形貌較均勻的一組。將此pH下制備的復合粉經不同的溫度（800、1 000、1 200、1 400 ℃）處理后，硼酸尿素反應燒結法（N2保護下，850 ℃煅燒5 h，850 ℃煅燒3 h及800 ℃煅燒5 h，800 ℃煅燒3 h）合成10%BN包覆3Y-TZP/3%Al2O3粉，通過TEM、能譜分析及X射線衍射（XRD）選出形貌及相組成最佳的一組。結果 當pH值為8.5時，3%Al2O3前驅體均勻地包覆在3Y-TZP顆粒周圍；3%Al2O3前驅體經1 200 ℃煅燒，再包覆10%BN，在N2保護下800 ℃煅燒5 h，此時可見3Y-TZP顆粒周圍包覆Al2O3及非晶BN，3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN復合粉中Al-B-O化合物較少，且t-ZrO2所占的比例最多。結論 合成Al2O3前驅體包覆3Y-TZP的最佳pH值為8.5；雙相包覆中，Al2O3前驅體的最佳處理溫度為1 200 ℃，合成非晶BN的適宜條件為N2保護下800 ℃煅燒5 h。

氧化鋯； 復合陶瓷； Al2O3-氮化硼包覆； pH； 煅燒溫度

瓷材料因美觀及生物相容性好、對磁共振無影響等優點，在口腔臨床應用越來越廣泛。瓷材料中，尤其是氧化釔穩定的四方氧化鋯多晶陶瓷（yttriastabilized tetragonal zirconia polycrystalline，Y-TZP），因存在馬氏體相變增韌，其斷裂韌性、彈性模量、彎曲強度都優于其他牙科陶瓷，如氧化鋁多晶陶瓷、二氧化硅玻璃陶瓷、白榴石/長石基陶瓷、焦硅酸鋰鑄瓷等[1-2]。長期暴露于濕熱的口腔環境中，Y-TZP修復體表面會自然發生t-ZrO2（四方相ZrO2）→m-ZrO2（單斜相ZrO2）相變，稱之為低溫老化（lowtemperature degradation/aging，LTD）。LTD可以導致材料表面粗糙化，產生微裂紋，彎曲強度及斷裂韌性等機械性能降低，影響Y-TZP修復體的臨床壽命[3]。高韌性的ZrO2基質結合高硬度的Al2O3，是生產具有優異機械性能復合陶瓷的一種理想途徑[4]。氧化鋁的加入有助于抑制氧化鋯晶粒增大，增強t-ZrO2的熱穩定性，使Y-TZP抗低溫老化[5]，且化學成分接近飾瓷，能夠克服目前商品化氧化鋯陶瓷飾瓷層易剝裂的問題。

全燒結氧化鋯瓷塊的可加工性差，銑削工具磨損嚴重，研磨過程中易產生機械及熱誘導裂紋，生產精確復雜的修復體形態十分困難，加工過程中往往需先使用預燒結瓷塊形成預定形態后再進行全燒結。由于預燒結坯體在燒結過程中有30%～40%的體積收縮，不可避免地產生形態變化，最終影響修復體精度，特別是跨度較長的橋體這種改變將更為顯著[6]。一些具有層狀結構的無機材料，如六方氮化硼（boron nitride，BN）、石墨、云母玻璃陶瓷等，較易被切割和鉆孔，但因層間弱界面使得強度低。由此可見，陶瓷可加工性的增加會使斷裂強度明顯降低[7]，因此如何將陶瓷的高強度高韌性與可加工性結合起來成為結構陶瓷研究的熱點。

本研究團隊在前期研究中已經獲得了具有良好機械性能及可加工性能的氧化鋯基陶瓷，本研究在此基礎上進一步通過微觀結構觀察和晶相分析，研究合成3Y-TZP/Al2O3前驅體的最佳pH值及在雙相包覆中前驅體的最佳熱處理溫度。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 氧化鋯粉末 3%氧化釔穩定的四方氧化鋯（簡稱3Y-TZP，東莞南玻陶瓷科技有限公司）。

1.1.2 藥品 Al(NO3)3·9H2O，H3BO3，CO(NH2)2，氨水，無水乙醇（北京市通廣精細化工公司）。

1.1.3 儀器 pH計（PHS-2F型，上海圣科儀器設備有限公司），磁力攪拌器（SZCL-4H型，鞏義市予華儀器有限責任公司），DHG-9013A型干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司），SX-G02123型箱式電阻爐（天津市中環實驗電爐有限公司），行星式球磨機（QM-3SP2型，南京大學儀器廠），TCGC-1700型管式爐（上海仝科電爐設備有限公司），JEM-2010型透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM，日本電子株式會社），MXP21VAHF型X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD，日本瑪珂科學儀器公司）。

1.2 方法

1.2.1 pH對Al2O3前驅體包裹形貌的影響 實驗步驟如下。1）原始粉放于箱式電阻爐中，1 200 ℃條件下煅燒2 h。2）按照Al2O3質量分數為3%的比例配制0.2 mol·L-1的Al(NO3)3溶液，磁力攪拌溶解。3）將氧化鋯粉加入上述配制好的Al(NO3)3溶液中，磁力攪拌30 min（正向），超聲30 min，再磁力攪拌30 min（反向），再超聲30 min，再磁力攪拌30 min（正向或反向），形成懸濁液。在磁力攪拌下逐滴加入體積分數10%的氨水，按照pH值不同分為4組：pH=6.5，pH=7.5，pH=8.5，pH=9.5。繼續磁力攪拌2 h，使反應完全[8]。4）將混濁液放入80 ℃烘箱中，靜置后將上清液倒掉，干燥24 h。通過溶解過濾的方法，用去離子水將殘離子洗脫，再放入80 ℃烘箱中干燥。5）將樣本置于TEM中觀察微觀結構，X射線衍射儀中進行能譜（energy dispersive spectrometer，EDS）分析。

1.2.2 不同熱處理溫度對3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN復合粉包裹形貌及晶相的影響 1）將最佳pH值下制備的Al2O3前驅體包覆粉按熱處理溫度不同分為4組：800、1 000、1 200、1 400 ℃，分別煅燒1 h，研細后備用，記為ZA。2）稱取相同質量經不同溫度處理后的粉末ZA，計算球磨中需要的硼酸及尿素的質量。采用硼酸尿素法，控制BN質量分數為10%，其中硼酸與尿素比值為1∶4。3）將稱好的ZA粉、硼酸、尿素及無水乙醇放入混料罐中，要求總混合體積不超過罐容積的2/3，玻璃棒攪拌，使溶液均勻。球磨條件如下：時間24 h（1 440 min），使用正反轉切換模式，每60 min換一次方向，轉速250 r·min-1。待球磨機停止后，將獲得的混合物使用篩網過濾，置于燒杯中，攪拌下用電吹風將大部分乙醇吹干，將漿料于烘箱中60 ℃干燥[8]。4）將干燥后的粉體在空氣中550 ℃條件下煅燒15 h，取出后研細。置于管式爐中氮氣保護下分組進行不同溫度處理（850 ℃保溫5 h，850 ℃保溫3 h，800 ℃保溫5 h，800 ℃保溫3 h），取出后研細。5）經TEM及XRD檢測選出生成α-Al2O3和非晶BN且未生成Al-B-O等其他雜質化合物的熱處理溫度。

2 結果

未經包裹的3Y-TZP顆粒邊緣清晰（圖1），加入Al2O3前驅體后，3Y-TZP顆粒周圍有物質包裹（圖2），對包裹物質進行EDS分析，由分析結果可以推測該物質為Al(OH)3，中心部位既有ZrO2也有Al(OH)3（圖3）。

圖1 3Y-TZP原始粉1 200 ℃熱處理后 TEMFig 1 Micrographs of 3Y-TZP calcined at 1 200 ℃ TEM

圖2 3Y-TZP/3%Al2O3前驅體 TEMFig 2 Micrographs of 3Y-TZP/3%Al2O3 precursor composite powders TEM

pH=6.5時，ZrO2顆粒只有極少部分被Al(OH)3包覆（圖4A），隨著pH值增大，包覆更完整（圖4B）。當pH=8.5時，可見ZrO2顆粒被Al(OH)3均勻包裹（圖4C），但pH值過大，為9.5時，Al(OH)3均勻形核沉淀，而非包裹在ZrO2顆粒上（圖4D）。

圖3 ZrO2顆粒EDS圖Fig 3 EDS graphs of ZrO2

圖4 不同pH值下制備的Y-TZP/3%Al2O3前驅體 TEM × 100 000Fig 4 Micrographs of 3Y-TZP/3%Al2O3 precursor at different pH TEM × 100 000

前驅體經800 ℃處理后，表面包覆物為非晶物質（圖5A）。前驅體經1 000 ℃及1 200 ℃處理后，表面包覆物為球形顆粒（圖5B、C）。前驅體經1 400 ℃處理后，表面未見包覆物，且ZrO2顆粒集聚成團（圖5D）。由圖6的能譜分析圖可推測，1 000 ℃和1 200 ℃溫度處理后，表面包覆物質為Al2O3。

圖5 經不同溫度處理的3Y-TZP/3%Al2O3前驅體 TEM ×100 000Fig 5 Micrographs of 3Y-TZP/3%Al2O3 precursor calcined at different temperatures TEM × 100 000

圖6 不同溫度處理后包覆物的EDS圖Fig 6 EDS graphs of coating after precursor calcined at different tempratures

由不同溫度處理后的XRD圖譜（圖7）可見，800 ℃表面處理后的主晶相為m-ZrO2和t-ZrO2，其他3種溫度處理后的主晶相為t-ZrO2，但4種溫度處理后均未檢測到α-Al2O3的特征衍射峰。

圖7 3Y-TZP/3%Al2O3前驅體經不同溫度處理后的XRD圖Fig 7 XRD pattern of 3Y-TZP/3Al2O3 precursor calcined at different temperatures

3Y-TZP/3%Al2O3前驅體經不同溫度處理后，3YTZP/3%Al2O3/10%BN復合物在氮氣保護下于850 ℃煅燒5 h后，表面包覆物中出現了大量枝狀物質（圖8A、B、D）及少量非晶態層狀包覆物（圖8C）。包覆物中的枝狀物質經EDS分析，推測可能是Al-B-O化合物（圖9）。

圖8 3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN復合體在氮氣保護下于850 ℃煅燒5 h TEM × 100 000Fig 8 Micrographs of 3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN calcined at 850 ℃for 5 h with N2 TEM × 100 000

圖9 枝狀物質的EDS圖Fig 9 EDS graphs of dendritic crystal

由圖10可見，3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN（前驅體經1 200 ℃溫度處理）化合物在氮氣保護下于800 ℃保溫5 h后，可見大量非晶態層狀以及晶態球形包覆物。圖10的左圖顯示包覆物為非晶態亂層結構BN，右圖顯示除非晶BN外還有晶態氧化鋁，該圖提示非晶BN和晶態氧化鋁同時存在，但因為氧化鋁含量較少，所以部分基體氧化鋯未被氧化鋁包覆，但可能被BN包覆。對圖10中a區進行能譜分析，推測包覆物為BN及Al2O3（圖11）。

圖10 3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN（前驅體1 200 ℃處理）于氮氣保護下800 ℃煅燒5 h TEM × 100 000Fig 10 Micrographs of 3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN (precursor calcined at 1 200 ℃) calcined at 800 ℃ for 5 h with N2 TEM× 100 000

4組物質的XRD結果（圖12）表明，粉體主要由m-ZrO2和t-ZrO2組成，未檢測到ɑ-Al2O3的特征衍射峰。對分析結果進行量化，前驅體經不同溫度處理后，四方相氧化鋯所占的比例分別為a）t-ZrO2：57.3%；b）t-ZrO2：68%；c）t-ZrO2：87.2%；d）t-ZrO2：93.34%。粉體制備過程各階段XRD圖譜見圖13，通過比較原始粉、氧化鋁前驅體包覆粉、氧化鋁前驅體經1 200 ℃處理后的復合粉及雙相包覆復合粉的XRD，展示了粉體制備過程中晶相的變化。

圖11 表面包覆物的EDS圖（圖10a位置）Fig 11 EDS graph of coating (position of the figure 10a)

圖12 前驅體經不同溫度處理，3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN在氮氣保護下800 ℃煅燒5 h后的XRD圖Fig 12 XRD pattern of 3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN (precursor calcined at different temperatures) calcined at 800 ℃ for 5 h with N2

圖13 粉體制備過程各階段XRD圖譜Fig 13 XRD patterns for various stages of powder preparation

3 討論

可加工陶瓷能夠將強度與可加工性統一起來的理論依據如下：可加工指數M=KIC（斷裂韌性）/HV（硬度），良好的可加工性要求高斷裂韌性和低硬度。硬度低意味著材料內部鍵合弱，因而導致材料強度下降，但強度可以通過斷裂韌性的提高來改善。氧化鋯顆粒包覆Al2O3增加了材料的斷裂韌性，再包覆BN降低硬度，同時處于晶界上的納米BN相當于在基體相晶粒間引入微裂紋，不但可以耗散主裂紋的擴展能，還具有裂紋偏轉增韌的作用，由此在保證強度的前提下，增加了氧化鋯陶瓷的可加工性及斷裂韌性。本課題組前期研究[9]表明，在Al2O3及BN雙相包覆中，當Al2O3的質量分數為3%時，未發現ZrO2t→m的相變，且也未見鋁硼氧化合物出現；BN質量分數為30%和10%的復合粉體的XRD圖譜表明，只要處理工藝一樣，相的組成沒有區別。在該結論的基礎上，本實驗中Al2O3的質量分數選擇為3%。

溶膠凝膠熱處理鹽溶液共沉淀法（非均相沉淀法）是合成復雜固溶體和均勻分散亞微顆粒高溫氧化物的一種簡單且低成本的方法。鹽溶液的pH值、沉淀物的熱處理溫度和時間會影響陶瓷的微觀結構和機械性能[10-11]。

本研究圖1、2、3可以表明，非均相沉淀法生成了Al(OH)3包覆物質。由圖4可見，非均相沉淀法制備Al2O3前驅體的最佳pH值為8.5，此時Al(OH)3均勻包覆在ZrO2顆粒周圍。pH=6.5時，由于pH值過低使得非均勻形核驅動力不夠，因此ZrO2顆粒只有極少部分被Al(OH)3包裹，隨著pH值增大，形核驅動力隨之增加，使得包覆更完整，當pH=8.5時，可以看到顆粒被Al(OH)3均勻包裹。但pH=9.5時，由于pH值過大使得均勻形核的驅動力過大，更多的Al(OH)3均勻形核沉淀，而非包裹在ZrO2顆粒上。Mondal等[12]在共沉淀法合成Al2O3前驅體時，用NH4OH將pH值調到8～9；Yao等[13]采用NH4-PMAA和NH3-H2O將pH值調到9～10；但均未研究不同pH對合成Al2O3前驅體時對其形貌的影響。

Chen等[14]的研究表明，不同溫度下Al2O3前驅體的熱分解變化如下：1 000 ℃時變為α-Al2O3和δ-Al2O3，1 100 ℃時δ-Al2O3轉變成晶態的α-Al2O3，1 200 ℃時α-Al2O3的峰強度更高。除α-Al2O3以外，氧化鋁的其他晶相都是不穩定的，要形成熱穩定型的α-Al2O3，需要大約1 200 ℃的溫度使其結構重排。溫度低時，熱力學驅動力小，運動阻力大，難以形成α-Al2O3[15]。綜合圖5～12的結果可見，在雙相包覆中Al2O3前驅體的最佳處理溫度為1 200 ℃，此時在ZrO2顆粒周圍可見球形Al2O3及非晶態層狀BN的包覆形貌；通過XRD計算3Y-TZP/3%Al2O3/10%BN雙相包覆時，前驅體經1 200 ℃處理后t-ZrO2的含量為87.2%，較800 ℃（57.3%）、1 000 ℃（68%）溫度處理后的含量高。而1 400 ℃溫度處理之后，粉末出現了部分燒結，出現了難以磨細的團聚顆粒，從TEM結果可見氧化鋯顆粒團聚明顯，且周圍看不到包覆物。圖7及圖12的XRD圖譜中均未發現α-Al2O3的特征峰，這是由于實驗中Al2O3的含量少且分布于基體晶粒表面的緣故。前期研究[9]發現，當包覆的Al2O3質量分數達20%，BN質量分數達10%時，能通過XRD檢測到相應的晶相，但當含量過少時同樣未檢測到相應晶相。有研究[15-16]表明，氧化鋯顆粒周圍包覆的Al(OH)3在經過1 200 ℃溫度處理后，可以生成穩定的α-Al2O3。但Han等[17]的研究表明，前驅體的處理溫度可能和所用的沉淀劑有關，分別使用NH4HCO3、(NH3)2CO3、NH3·H2O作沉淀劑，前驅體900 ℃煅燒后，NH3·H2O形成的Al2O3晶型不明顯。本研究的結果與之前基本一致，但因本實驗制備的是雙相包覆粉末，在決定最佳前驅體溫度時還要考慮BN加入后的影響。

本實驗中10%BN包覆3Y-TZP/3%Al2O3（前驅體經不同溫度處理）在N2保護下經850 ℃煅燒5 h后，只有3%Al2O3前驅體經1 200 ℃溫度處理組中可發現少量層狀物包覆物，其余3組中看到的幾乎均是枝狀物質（圖8）。枝狀物的EDS分析結果表明，該物質可能為Al-B-O化合物，推測可能由于溫度過高或者煅燒時間過長導致。因此，筆者又進行了幾組實驗：10%BN包覆3Y-TZP/3%Al2O3在N2保護下850 ℃煅燒3 h，TEM結果和之前的差別不大；800 ℃煅燒5 h及800 ℃煅燒3 h后，前驅體1 200 ℃處理組幾乎沒有枝狀物質，大部分為如圖10所示的包覆物，EDS分析該物質中既有BN又有Al2O3，周圍的層狀物則為BN。考慮到保溫時間越長穩定相的轉化率越高，本研究最終選定800 ℃煅燒5 h為其最佳處理溫度。

由本研究結果可以得出以下結論：1）合成Al2O3前驅體的最佳pH值為8.5，此時包覆形貌較均勻；2）雙相包覆中，Al2O3前驅體的最佳處理溫度為1 200 ℃，硼酸尿素反應燒結的最佳熱處理溫度為氮氣保護下8 00 ℃保溫5 h，此時3Y-TZP/Al2O3/BN復合體中生成了穩定的α-Al2O3，主晶相為t-ZrO2，非晶BN包覆均勻，未檢測到Al-B-O化合物。

[1] Manicone PF, Iommetti PR, Raffaelli L. An overview of zirconia ceramics: basic properties and clinical applications[J]. J Dent, 2007, 35(11):819-826.

[2] Egilmez F, Ergun G, Cekicnagas I, et al. Factors affecting the mechanical behavior of Y-TZP[J]. J Mech Behav Biomed, 2014, 37:78-87.

[3] Ji Y, Zhang XD, Wang XC, et al. Zirconia bioceramics as all-ceramic crowns materials: a review[J]. Rev Adv Mater Sci, 2013, 31(3):72-78.

[4] Kirsten A, Begand S, Oberbach T, et al. Subcritical crack growth behavior of dispersion oxide ceramics[J]. J Biomed Mater Res B, 2010, 95(1):202-206.

[5] Hallmann L, Ulmer P, Reusser E, et al. Effect of dopants and sintering temperature on microstructure and low temperature degradation of dental Y-TZP-zirconia[J]. J Eur Ceram Soc, 2012, 32(16):4091-4104.

[6] Miyazaki T, Hotta Y. CAD/CAM systems available for the fabrication of crown and bridge restorations[J]. Aust Dent J, 2011, 56(Suppl 1):97-106.

[7] Goeuriot-Launay D, Brayet G, Thevenot F. Boron nitride effect on the thermal shock resistance of an alumina-based ceramic composite[J]. J Mater Sci Lett, 1986, 5(9):940-942.

[8] 楊瑟飛, 溫寧, 吳金雙, 等. 修復全瓷基底材料的加工方法: ZL201410788484.0[P]. 2016-10-05.

Yang SF, Wen N, Wu JS, et al. Processing methods of allceramic base material for dental restoration: ZL201410788484.0[P]. 2016-10-05.

[9] Yang SF, Yang LQ, Jin ZH, et al. New nano-sized Al2O3-BN coating 3Y-TZP ceramic composites for CAD/CAM-produced all-ceramic dental restorations. PartⅠ. Fabrication of powders[J]. Nanomedicine: NBM, 2009, 5(2):232-239.

[10] Garcia RHL, Ussui V, De Lima NB, et al. 3YTZP-Al2O3powders synthesized by the coprecipitation route[J]. Mater Sci Forum, 2006(530/531):677-682.

[11] Zhou M, Xu LF, Xi X, et al. Investigation on the preparation and properties of monodispersed Al2O3-ZrO2nanopowder via co-precipitation method[J]. J Alloy Compd, 2016,678:337-342.

[12] Mondal B, Kundu S. Novel synthesis of advanced composites of α-Al2O3reinforced with Ce TZP through co-precipitation process[J]. Brit Ceram T, 2006, 105(5):222-227.

[13] Yao Y, Liu B, Xiao J, et al. Heterogeneous precipitation derrived Al2O3/ZrO2composite[J]. Mater Today: Proceedings, 2015, 2(1):303-308.

[14] Chen H, Fan BB, Zhang X, et al. Preparation of α-Al2O3powder by microwave pyrolysis[J]. Key Eng Mater, 2014(602/603):88-92.

[15] Shi JL, Li BS, Ruan ML, et al. Processing of nano-Y-TZP/Al2O3composites.Ⅰ: preparation and characterization of nano-Y-TZP/Al2O3composite powders[J]. J Eur Ceram Soc, 1995, 15(10):959-965.

[16] Antsiferov VN, Sevastianova IG. Structuring a gel used for the production of YTZP-Al2O3ceramics[J]. Nanostruct Mater, 1995, 6(s5/8):683-686.

[17] Han X, Liang Z, Feng L, et al. Co-precipitated synthesis of Al2O3-ZrO2composite ceramic nanopowders by precipitant and drying method regulation: a systematic study[J]. Ceram Int, 2015, 41(1):505-513.

（本文編輯 吳愛華）

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processes of 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramic composite powders coated with na no-sized Al2O3-boron nitride

Wu Jinshuang1,2, Zhou Lei1, Xing Helin1, Wang Zhe3, Dong Chaofang3, Yang Sefei1.
(1. Dept. of Stomatology, The Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China; 2. Dept. of Stomatology, People’s Hospital of Yuxi City in Yunnan Province, Yuxi 653100, China; 3. Institute of New Materials Technology, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)
Supported by: National Natural Science Foundation of China (81371183); Technology Special Funds for Social Development in Hainan Province (sf201311). Correspondence: Yang Sefei, E-mail: yangyangfeifei@aliyun.com.

Objective In this work, we aim to determine the optimum pH value for the preparation of 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline (3Y-TZP)/3%Al2O3and optimum calcination temperature of Al2O3precursor and amorphous boron nitride (BN) for Al2O3-BN coating 3Y-TZP powders. Methods The 3Y-TZP/3%Al2O3composite powders were prepared through the heterogeneous precipitation method under different pH values (6.5, 7.5, 8.5, and 9.5) and analyzed through transmission electron microscopy (TEM) to determine the optimum coating morphology. Al2O3precursor, which was prepared under the optimum pH value, was calcined at different temperatures (800, 1 000, 1 200, and 1 400 ℃). The amorphous BN coating 3Y-TZP/3%Al2O3powder was prepared via in situ reaction with boric acid and urea (calcined with N2at 850 ℃ for 5 and 3 h and 800 ℃ for 5 and 3 h). TEM, energy dispersive spectrometry (EDS), and X-ray diffraction (XRD) were performed to characterize the results. Results The optimum coating morphology was obtained at 8.5 pH. When the Al2O3precursor was calcined at 1 200 ℃ and coated with BN (calcined with N2at 800 ℃ for 5 h), the Al-B-O compound was less,and t-ZrO2was more represented. Conclusion The optimum pH value for 3Y-TZP/3%Al2O3composite preparation is 8.5.For the preparation of Al2O3-BN coating 3Y-TZP powders, the optimum calcination temperature of the Al2O3precursor and amorphous BN are 1 200 and 800 ℃, respectively.

zirconia; composite ceramic; Al2O3-boron nitride coating; pH; calcination temperature

R 783.1

A

10.7518/hxkq.2017.05.003

2017-01-05；

2017-04-02

國家自然科學基金（81371183）；海南省社會發展科技專項資金（sf201311）

吳金雙，住院醫師，碩士，E-mail：wujinshuang522@163.com

楊瑟飛，副教授，博士，E-mail：yangyangfeifei@aliyun.com