添加氧化銅對鋯酸鋇陶瓷致密化影響的研究

孫曉瑋

關鍵詞：氧化銅;鋯酸鋇陶瓷;致密化

1引言

BaZrO3 屬于ABO3 鈣鈦礦型氧化物。完美的鈣鈦礦結構非常簡單，通式為ABO3，A 為一價或二價金屬，而B為四價或五價金屬。A 原子位于立方頂角，B 在體心，O在面心。由ABO3 鈣鈦礦型氧化物的結構可知，BaZrO3 的晶胞結構中Ba 為二價金屬，而Zr 為四價金屬。BaZrO3具有良好的機械強度，熔點高、化學穩定性好，是一種良好的高溫應用材料，是制造高溫超導體的良好基材。由文獻可知，BaZrO3 的理論密度為6.242g/cm3，具有較小的熱擴散系數，熔點為2600℃。在對BaZrO3 性質的研究過程中，由于BaZrO3 結構的兼容性和化學穩定性，BaZrO3可作為良好的高溫應用基材，并在許多領域得到應用，如作為薄膜沉積的惰性底材，作為氧化物、非氧化物及貴金屬合金熔化和燒結試驗的坩堝。科學家發現BaZrO3可替代YSZ，用來作為超音速空氣射流的熱障涂層（TBC）材料。稀土摻雜BaZrO3 被證實是一種作為燃料電池固態電解質的良好質子導體。此外，有報道表明BaZrO3 也有可能成為濕度傳感器材料[1-3]。

多年來，科研人員曾用不同的方法試驗如何增強BaZrO3 陶瓷的致密性。曾有文獻報道，Bi2O3 對陶瓷的燒結有促進作用，但實驗證明其對BaZrO3 陶瓷致密化并沒有什么影響[4]。資料顯示，ZnO 是對BaZrO3 陶瓷最有效的燒結助劑[5]。由于CuO 與ZnO 性質相似，因此本文主要研究添加CuO 對BaZrO3 陶瓷致密化的影響。

2實驗

2.1BaZrO3粉體制備

制備BaZrO3 粉體的試驗方法很多，如固相法、液相法和Gel-casting 法。本文采用了方便，快捷，原料成本低的傳統固相反應法[6]制備BaZrO3 粉體。以工業級BaCO3（純度大于99.5%）和ZrO2 （純度大于99.5%）為原料，按照（1）化學方程式的化學計量比稱量原料。將稱好的原料混合后，按質量比1：1.5 加入蒸餾水，球磨4 小時后烘干，將其在1400℃下煅燒并保溫4 小時得到BaZrO3 粉體。

2.2添加BaZrO3陶瓷試樣制備

將上述合成的BaZrO3 粉體平均分為3 組，分別加入0mol%， 2mol%， 4mol%的CuO 共同置于球磨罐中，球磨4小時后再進行烘干。通過冷等靜壓成型技術將3 組粉體制成圓片試樣，將其在1400℃下煅燒并保溫4 小時得到BaZrO3 陶瓷試樣，并對其分別進行編號。

2.3試樣表征

用D8 ADVANCE 型X- 射線衍射儀對3 組陶瓷試樣進行物相分析。用Sirion 200 型場發射掃描電子顯微鏡對3 組陶瓷試樣形貌進行對比分析。用游標卡尺、電子天平等儀器通過阿基米德法計算得到3 組陶瓷試樣的密度，通過測量計算其線性收縮率。結合上述三種測量方法得到添加CuO 對BaZrO3 陶瓷致密化影響的研究。

3結果與討論

3.1物相分析

如圖1 所示為CuO 添加量為0mol%， 2mol%， 4mol%的BaZrO3 陶瓷試樣在1400℃下煅燒并保溫4 小時后得到的XRD 圖譜。從圖1 可以看出，添加CuO 后的BaZrO3圖譜衍射峰與BaZrO3 標準圖（JCPDS74-1299）相一致，未見其他物相生成。

3.2密度、線性收縮分析

利用阿基米德法測量添加CuO 后的BaZrO3 陶瓷的密度。實驗將3 組試樣分別置于干燥箱內干燥至完全不含水分，稱其質量（干重）為m0;然后將其置于水中完全浸泡并煮沸半小時，稱其在水中的質量（浮重）為m1;拭去其表面水分后稱其質量（濕重）為m2。

通過測量圓片試樣燒結前和燒結后的直徑分別為l0和l1。

圖2 可見大致規律，相對密度和線性收縮隨著CuO含量的不斷增加而增大。通過計算可得，未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷只能達到理論密度的64.8%，而CuO 添加量為4mol% 的BaZrO3 陶瓷試樣可以達到理論密度的80.2%。

3.3微觀形貌分析

圖3 為不同含量CuO 的BaZrO3 陶瓷試樣的掃描電鏡圖。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察陶瓷斷口的形貌、晶粒尺寸以及陶瓷的致密度。從圖3 可以看出，試樣晶粒尺寸隨CuO 含量的增加而增大，其致密程度依次升高。

4結論

本文研究并成功制備添加了不同含量的CuO 的BaZrO3 陶瓷試樣，其致密性明顯高于未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷。通過增加CuO 的添加量可以使BaZrO3 陶瓷試樣的相對密度和線性收縮率升高，氣孔率降低。因此，CuO 可以促進BaZrO3 陶瓷的致密程度。