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氧化钇稳定剂含量对氧化锆制品影响

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氧化钇稳定剂含量对氧化锆制品影响
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氧化钇稳定剂含量对氧化锆制品影响

【摘要】:
立车光电材料

立车光电材料

    氧化锆制品韧性及强度.同时氧化锆在烧结过程中,温度逐渐升高,致使氧化锆制品收到外界热应力,基体产生微裂纹,而在裂纹尖端附近产生张应力,松弛了四方相氧化锆所受压应力,微裂纹表面一层四方相转变为单斜相,由于相变而产生3%~5%体积膨胀和剪切应变均导致压应力,这不仅抵消了外力所造成张应力,而且阻止了进一步相变.这样只有施加更大外力才能使相变继续进行,裂纹继续延伸,形成新自由表面,直至断裂,这也提高了氧化锆制品断裂韧性和强度.

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当钇摩尔分数为1%时氧化锆制品中绝大部分是单斜相,四方相只占很少一部分,当钇摩尔分数为3%是氧化锆制品中已产生较多四方相,当钇摩尔分数为8%是氧化锆制品晶相组成同时包括四方相,单斜相,立方相三种,四方相较多,单斜相较少,立方相有一部分.四方相存在可在一定程度上提高氧化锆制品强度,而单斜相存在会降低材料强度.所以,当钇摩尔分数大于3%后,四方相减少,造成强度下降,氧化钇含量影响四方氧化锆含量及稳定性,当氧化钇含量较多是生成一部分立方相氧化锆,四方相氧化锆含量降低,强度也有降低.
随着摩尔分数增加,氧化锆制品硬度增大,在3%处制品硬度达到最大值,之后随着钇含量增加,氧化锆制品硬度逐渐降低.钇摩尔分数为3%时,氧化锆制品中四方相含量较多,这对提高制品硬度也有着有益作用.

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钇含量为3%时钇稳定氧化锆颗粒尺寸最小,并且氧化锆具有较高致密度,当钇摩尔分数为3%时,氧化锆微观结构出现了一定量细长晶体,字细小氧化锆颗粒与块体之间长晶体起凝固,桥连作用,这使得氧化锆制品结合更为紧密,获得了较高结合力.
氧化锆制品中四方相存在马氏体相变,相变增韧提高了氧化锆断裂韧性和抗弯曲强度.但抗弯曲强度更多受相对密度影响,当钇含量为3%时
稳定氧化锆存在是因为氧化锆具有独特相变过程,因此需要做稳定处理以获得所需要产品品质.因此在说稳定氧化锆之前,先简单说一下氧化锆相变是怎么回事.
如果将ZrO2t→m想变点稳定到室温,使其在承载时由应力诱发产生t→m相变,由于相变产生体积效应而吸收大量断裂能,从而使材料表现出异常高断裂能,从而使材料表现出异常高断裂韧度,产生相变增韧,获得高韧性,高耐磨性.”
氧化锆用相稳定剂作用,要实现氧化锆相变增韧,必须添加一定稳定剂并在一定烧成条件下,将高温稳定相-四方亚稳定至室温,获得室温下可相变四方相,这就是稳定剂对氧化锆稳定作用.
 “稳定至室温四方相是应力诱导相变前提条件,该过程是氧化锆陶瓷获得优良性能关键,一直是氧化锆结构陶瓷材料研究重要内容.”
常用氧化锆稳定剂类型及作用机理,常见ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化物,而且还只有离子半径与ZrO2半径相差不超过40%氧化物才能作为氧化锆稳定剂.常用稳定剂主要有Y2O3,MgO,CeO2,CaO.
其机理通常可以认为是:Y3+,Mg2+,Ce4+,Ca2+等稳定剂阳离子在ZrO2中有着一定溶解度,可以置换出其中Zr4+而形成置换型固溶体,阻碍四方晶型相单斜晶型转变,从而使氧化锆相变点稳定降低到室温,从而使t-ZrO2亚稳定至室温.通过不同稳定剂添加量,可制备出部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ, 部分t-ZrO2亚稳至室温),四方氧化锆多晶体(TZP, t-ZrO2全部稳定至室温)及全稳定氧化锆(FSZ,c-ZrO2稳定至室温,获得c-ZrO2单相材料).
其中,PSZ和TZP中均含有可想变四方相,是常见相变增韧陶瓷.
常用稳定氧化锆特点,不同稳定剂单独加入氧化锆,可制取不同类型稳定氧化锆产品.各稳定剂稳定实质大致相同,但获取ZrO2产品性能却不尽相同,此外不同添加量稳定剂添加至氧化锆中制备产品性能也不尽相同.


Y-TZP是TZP材料发展至今得到最多研究TZP材料,这种材料力学性能较好,强度较高,具有良好断裂韧性,并且其集体中材料晶粒尺寸细小而均匀,因此是得到较多关注.Y-TZP中稳定剂Y2O3原子分数陶瓷在2%-3%之间.
与其他陶瓷相比,Y-TZP突出优点是烧结温度低,大约在1400-1500℃,材料烧结性能好,致密度高.该陶瓷具有优良常温力学性能,抗弯强度在1000MPa以上,断裂韧性在10-15MPa.m1/2.此外Y-TZP还能表现出良好耐磨性,耐腐蚀性和生物相容性,以它为基体已开发出多种多元复合特种陶瓷材料并应用于实际.
但Y-TZP有一明显缺点,在100-400℃长期使用时,材料表面相内部发生t→m相变,导致力学性能下降.其研究热点在于防止其低温老化途径.