成型壓力對CZP陶瓷的影響及抗熱震性能研究

韓龍　梁慧　劉偉

摘 要： 研究了成型壓力對CaZr4P6O24（簡稱CZP）陶瓷的力學性能和介電性能的影響關系，實驗結果表明：成型壓力在100 MPa時陶瓷的綜合性能（抗彎強度值為74.96 M Pa、介電常數為3.65、介質損耗0.0058）最好。將該CZP陶瓷進行抗熱震性測試，將CZP陶瓷升溫至1000℃，保溫時間為1h，即取出放入20℃的水中10 min， 烘干后在400倍顯微鏡下觀察無裂紋出現，測試其剩余抗彎強度為70.46MPa，為測試前的94%，表明該材料具有良好的抗熱震性能。

關鍵詞：成型壓力; CaZr₄P₆O₂₄陶瓷 ;介電性能 ;抗熱震性能

1 引 言

CaZr₄（PO₄）₆（簡稱CZP）磷酸鹽陶瓷材料具有很好的高溫穩定性和良好的抗熱沖擊能力，它屬于NZP族材料。該族材料具有低膨脹性[1-2]，在航空器表面涂層等領域被廣泛地應用 [3]。

Limaye等人[4]研究了CZP的熱膨脹性質，發現其具有很低的熱膨脹性能，體膨脹系數為-1.6×10^-6/℃。

CZP磷酸鹽陶瓷材料的抗彎強度和介電性能與其制備工藝有關，本文主要研究成型壓力對CZP磷酸鹽陶瓷性能的影響。

抗熱震性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，也稱熱穩定性。陶瓷材料的抗熱震能力是其力學性能和熱學性能對應于各種受熱條件的綜合表現，這是無機非金屬材料的重要工程物理性能之一。其熱沖擊損壞有兩種類型：一種是在熱沖擊循環作用下，材料表面開裂、剝落并不斷發展，最終碎裂或變質，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊損傷性;另一種是材料發生瞬時斷裂，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊斷裂性。脆性陶瓷的抗熱震評價起源于兩種觀點，一種是基于熱彈性理論，另一種的基礎是斷裂力學概念。

按照斷裂力學概念，測試抗熱震能力有兩種方法：

1）測試材料反復熱震，直到出現開裂或剝落時的熱震次數N;

2）測試材料經過一次熱震（急冷）后的強度（殘余強度），比較原有強度和殘余強度來評價材料的抗熱震能力。

本研究采用第二種測試方法。

2實驗

本研究以直接共沉淀法制備的CaZr₄P₆O₂₄陶瓷粉體為研究對象，CZP陶瓷粉體添加3wt%的ZnO作助燒劑及3wt%的SiO₂作為晶粒抑制劑[5]，分別在50、100和150MPa的壓力下干壓成坯體。坯體在1150℃下無壓燒結，升溫速率為5℃/min，保溫時間為2h。

抗熱震性能試驗中，將試樣在1000℃下保溫1h后取出立即投入20℃的水中急冷，保持10min。然后在400倍光學顯微鏡下觀察是否有裂紋，并測試其殘余抗彎強度，與同樣燒結條件下未經抗熱震實驗的另一個陶瓷樣品的抗彎強度進行比較。

3結果及討論

3.1 顯微結構分析

圖1為不同成型壓力下CZP陶瓷SEM圖像。從圖1（a）中可以看出，成型壓力為50MPa時，陶瓷體存在一定的孔洞，致密度不高，孔洞中的晶粒排列緊密。從圖1（b）中可以看出，成型壓力為100MPa時，陶瓷材料晶粒排列緊密，氣孔少，致密度很高。從圖1（c）中可以看出，成型壓力為150MPa時，陶瓷材料顆粒排列非常緊密，致密度非常高。從顯微結構上看，CZP陶瓷材料在一定范圍內隨著成型壓力的增加，陶瓷的致密度呈增加的趨勢。

3.2 抗彎強度分析

如表1不同成型壓力下CZP陶瓷性能結果所示，CaZr₄P₆O₂₄陶瓷在50、100、150 MPa成型壓力下的三點抗彎強度值分別為64.26、74.96、81.38 MPa。可見，隨著成型壓力的增大，陶瓷的抗彎強度值增加。分析原因，適當增大成型壓力，使坯體致密化程度提高，結合氣孔率測試結果，發現氣孔比例下降，陶瓷在50到150 MPa成型壓力下，氣孔率由4.8%下降到了2.8%，坯體致密化、氣孔率下降因素導致了陶瓷抗彎強度的增加。

3.3 介電性能分析

本研究CZP陶瓷介電性能只與陶瓷體內的氣孔率有關，因為本研究的主晶相和玻璃相含量都是相同的，所以，氣孔率越高的陶瓷體，其介電常數越小，從表1不同成型壓力下CZP陶瓷性能結果可以看出，陶瓷的氣孔率由4.8%下降到2.8%，陶瓷的介電常數由3.48增加到4.12。而介質損耗值和氣孔的關系正好與介電常數相反，氣孔率越高，陶瓷體的介質損耗值越大，由表1可以看出，陶瓷的氣孔率由4.8%下降到2.8%，陶瓷的介質損耗值由0.0086下降到0.0042。

3.4熱震性能前后陶瓷表面顯微結構分析

圖2為抗熱震性能實驗前后CZP陶瓷的表面微觀形貌，從圖2可以看出，材料在接近1000℃溫差下做抗熱震實驗后陶瓷材料的表面未出現裂紋，從陶瓷材料的表觀上來看，其大小形狀都未發生變化，說明材料具有良好的抗熱震性能。

3.5 剩余強度

將陶瓷試樣在接近1000℃溫差下做抗熱震實驗，測量其剩余抗彎強度為70.46MPa，測試前的抗彎強度為74.96 MPa，剩余抗彎強度為測試前的94%。結合陶瓷體的微觀形貌，表面無裂紋出現，外觀基本沒有變化，說明力學性能損失不大，表明CZP陶瓷材料具有很好的抗熱震性能。

4 結論

1）坯體的成型壓力在100 MPa時，CZP陶瓷材料的綜合性能最好，介電常數在4以下，三點抗彎強度為74.96MPa。減小成型壓力至50 MPa，力學性能下降;增大成型壓力至150 MPa，力學性能增加，但介電常數大于4。E80D612A-C8AA-466A-91B6-A341199C4FE9

2）用測試材料經過一次熱震（急冷）后的強度（殘余強度），比較原有強度和殘余強度來評價材料的抗熱震能力。將CZP陶瓷材料在接近1000℃的溫差下做抗熱震實驗，結果在400倍光學顯微鏡下觀察陶瓷體表面無裂紋出現，測試其剩余抗彎強度值為70.46MPa，為測試前的94%。 表明抗熱震實驗對CZP陶瓷的力學性能損失不大，表明CZP陶瓷材料具有較好的抗熱震性能。

參考文獻

[1] R.Brochu， M.El-Yacoubi， A.serghini， et al. Crystal chemistry and thermal expansion of Cd0.5Zr₂（PO₄）₃and Cd0.5Sr0.5Zr₂（PO₄）₃ceramics. Materials Research Bulletin， 1997， 32（1）： 15-23.

[2] 汪洋，周媛媛，李魁，劉瑞祥，周長靈，劉福田.MgO燒結助劑對CaZr₄（PO₄）₆陶瓷力學性能及熱膨脹系數的影響[J].現代技術陶瓷，2019，40（05）：354-359.

[3]Susumu Nakayma， Katsuhiko Itoh. Immobilization technique of cesium to HZr₂（PO₄）₃using an autoclave. journal of nuclear science and technology， 2003， 40（8）： 631-633.

[4] S.Y.Limaye， D.K.Agrawal and H.A.Mckinstry. Synthesis， Sintering and thermal expansion of MZr₄P₆O₂₄（M=Mg， Ca， Sr， Ba ） . J.Am.Ceram.Soc， 1987， 10： c232-c236

[5] 韓龍，侯憲欽.燒結工藝對CaZr₄P₆O_（24）陶瓷性能的影響[J].佛山陶瓷，2008（09）：16-19.

The Relationship of the Pressure and the Properties of CaZr₄P₆O₂₄Peramic and Study on its Anti Thermal Shock Properties

HAN Long，LIANG Hui

（Binzhou Polytechnic，? Binzhou 256603）

Abstract： The relationship of the pressure and the bending strength and the dielectric properties of? CaZr₄P₆O₂₄（abbreviated as CZP） ceramic were studied. The ceramic made under 100 MPa pressure has better comprehensive properties，which the value of bending strength is 74.96 MPa， the? dielectric constant is 3.65 and the loss tangent is 0.0058? . Anti thermal shock properties Of this CZP ceramic was tested. The temperature of CZP ceramic was rising to 1000℃， and temperature remaining time was 1 hour. The CZP ceramic was thrown into water of 20℃ for 10 minutes， and it has no crack on the surface when observed in the 400× microscope.? The remaining bending strength of the CZP ceramic is 70.46MPa， and the strength is the 94 percent of it before testing， the CZP ceramic has better anti thermal shock properties.

Keywords：? the pressure;CaZr₄P₆O₂₄ceramic;the dielectric properties;Anti thermal shock propertiesE80D612A-C8AA-466A-91B6-A341199C4FE9