1、PDF外文： http:/ 4380 字 出处： Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(2): 689-693 利用稳定剂包覆纳米粉体技术制备 CeO2 和 Y2O3 共稳的全稳定 ZrO2 的微波烧结 摘要 本论文是采用 2.45GHz 单模微波炉 ，将用 摩尔分数 1%的 Y2O3 及摩尔分数为 4%、 6%或 8%的 CeO2 共稳定 的含有质量分数 2%的 Al2O3 的 四方氧化锆多晶复合材料 在 1450下烧结 20min。为了便于比较， 将其在 空气中 1450 下进行持续 20
2、min 的常规烧结。利用悬浮涂覆技术 将硝酸钇 、 硝酸铈和纯单斜氧化锆纳米粉末混合 ， 获得 原始 粉末混合物。 材料完全致密化程度 是通过两种烧结 方式相对比得出结论的 。运用 X 射线衍射及扫描电镜 等材料分析 技术研究材料的成分和烧结方式对样品最终的 物 相组成和微观结构的影响。与采用常规烧结方式获得的样品相比较， 在 微波烧结获得的陶瓷体中可观察到更加 精细 且均匀的微观结构。材料的断裂韧性随着稳定剂含量的减少而增加，而维氏硬度却呈现相反的 变化规律 。 本实验，采用 微波烧结和传统烧结 两种烧结方式，对获得的 样品于 进行韧性和硬度 比较 。 关键词：氧化
3、锆，微波处理，烧结，晶粒尺寸， 机械性能 1 简介 陶瓷微波烧结（ MS）是一种新型技术，由于可快速加热，提高致密化速率，并 可 改善微观结构而备受关注。在微波烧结中，电磁波与陶瓷相互作用，通过介电损耗而使体积加热。而传统烧结（ CS），首先在陶瓷 元件 表面实现热量转换，然后通过热传导到达材料内部， 这种加热方式会在陶瓷原件 产生很高的温度梯度和应力。与常规烧结相比，运用微波烧结这样一个能够整体加热的方法可使陶瓷坯 件获得更加均匀且精细的 显微 结构。 多年来，运用微波烧结
4、 已 成功制得了 多种 结构陶瓷和复合材料，如CeO2-ZrO2， Y2O3-ZrO2 和 Al2O3 等。目前，赵 1 等人的研究表明，含有 12%（摩尔分数） CeO2 的 ZrO2 和含有 3%（摩尔分数） Y2O3 的 ZrO2 高 致密化 结构陶瓷可通过微波烧结制取 。在 1450 下 微波 烧结 20min 获得的 Ce-TZP 韧性高达10MPam， Y-TZP 硬度高达 12.4GPa。 Travitzky2,3 等人的研究发现：相比于常规烧结，用微波烧结技术制备 的 20wt%Al2O3/3Y-ZrO2 和 20wt%Al2O3/2Y-ZrO2复合陶瓷材料 均 具有较高的密度
5、，更优异的机械性能，更 细小 的晶粒尺寸。谢 4，5 等人的研究 结果表明，采用 2.45GHz 微波辐射的多模微波烧结炉， 对于5wt%CeO2和 3wt%Y2O3混合稳定剂共稳定的 ZrO 陶瓷，在 1500 下烧结 15min，可获得高达 99.5%的 相对 密度和 13.7MPam的断裂韧性。 为了 改善 Ce-TZP 的低强度 ， 增强 Y-TZP 的热稳定性，已经制备出不同含量的 CeO2 和 Y2O3 共稳定的 全稳定 ZrO2 陶瓷。黄和李 6， 7 以及林 8， 9 等人的报告指出， CeO2 和 Y2O3 含量比例对四方 ZrO2 及立方 ZrO2 两相的相含量
6、具有显著影响，不同的四方 ZrO2 及立方 ZrO2 相 组成使得 其 显微 结 构和机械性能产生 明显 差异。立方氧化锆的存在极大地降低了氧化锆陶瓷的机械性能。在 1450 下无压烧结 ，保温 1-4 小时制备 可得到 12mol%CeO2-3mol%Y2O3 共同稳定的 全稳定ZrO2 陶瓷 ，其 断裂韧性据称仅有 2.02-2.42MPam。 ， 据热力学统计 ，采用无压烧结，坯件中立方相含量高达 37mol%。陶瓷坯体内大量的立方相的存在，解释了这些陶瓷材料之所以 具有 较低 断裂韧性 的现象 。 目前 的任务是 对于采用 微波烧结 技术使材料 强韧化 而得 的 Ce-Y-
7、ZrO2 复合陶瓷 ， 研究 CeO2 和 Y2O3 稳定剂混合 物 含量 对其 微观 结构和机械性能的影响。向 ZrO2 粉末中掺入不 同 比例 的 CeO2 和 Y2O3， 利用悬浮液 包 覆技术制备 获得Ce-Y-ZrO2 系列 陶瓷 素坯 ， 然后 在单模微波烧结炉和常规烧结炉中进行烧结。 采用了两种加热模式烧结后的坯体 密度、微观结构 、 晶粒粒度分布以及机械性能 将在本文中给予 比较 与 讨论。 2 实验步骤 本次实验中，采用粉末 包 覆技术制备含有 1mol%Y2O3 与 4mol%、 6mol%或者 8mol%CeO2 的混合 稳定剂
8、共稳定的 全稳定 ZrO2 陶瓷样品。另外， 在氧化锆粉末中 掺加 2wt%Al2O3，作为 ZrO2 的晶粒生长 抑制剂 。 生产 全稳定 ZrO2 陶瓷的 原料 是 纯 Y2O3（等级 YT-603,大西洋器材建造，）， Ce(NO3)36H2O（奥德里奇化学公司）， 精细 Al2O3（等级 SM8， Baikowski， 0.6 微米）和单斜纳米 ZrO2 粉末（东曹 ,等级 TZ-0）。此后，样品 的术语名字 可简化为 1YxCe2Al (其中 x=4, 6, 8)， 意即表明原料 中 含有 1 mol% Y2O3, x mol%CeO2 和 2 wt.% Al
9、2O3。胶体 包 覆及生坯压坯成型技术的 介绍 将在别处给予 详细说明 10， 11。 采用 冷等静压 技术 成型的圆柱形生压坯（尺寸：直径 8mm，长 8mm） ，置于2.45GHz微波炉（ Ceralab II, MEAC，比利时鲁汶大学）中在空气中进行烧结，这台微波炉 的输出功率可 从 0到 1KW连续可调，具有一个圆柱形单模可协调的敷料器并配有计算机控制系统。碳化硅基座 起初 是用来加热低介电损耗物质 ZrO2。调节样品在微波 炉 腔中的位置 ， 以 削弱 非均匀微波场对其烧结性能的影响。此外，每一种组分制备三个样，烧结后对比 评估其机械性能。通过聚焦在样品表面的高温计 ，
10、可对 微波炉中 的 温度 实现直接 控制。相比之下，采用相同的烧结周期，常规烧结下的样品则要在 1450 下烧结 20min，冷却速率却仅有 20 /min。 烧结后样品的密度可 采 用阿基米德方法测量。借助 -衍射计（ 3003-TT，德国阿伦斯堡城堡赛福特） ， 利用 Cu的 K放射线（ 40kV， 40mA） 对 此烧结样品进行 表面物相鉴定（ X射线衍射）。 将 样品的横截面抛光，并于空气中在 1350高温下对其进行热蚀刻， 持续处理 30min， 然后利用扫描电子显微检查法（扫描电镜， XL30-FEG, FEI,荷兰）观察其显微结构。根据线性截距法 ， 由专业图像分析软件来确定 样品的 晶粒尺寸。维氏硬度 30是用 Zwick硬度计（型号 3202， Zwick，乌尔姆，德国） 对样品实施 30千克的压痕载荷，保持 10-15秒所测出的硬度值。压痕断裂韧 性 ， 即 KIC，是由 30千 克 载荷的 压痕获取径向压痕图案 ，然后经 安斯提斯公式计算得到的 。 其中公式中的弹性模数是 200GPa。 对于每一种材料等级对应着的三个样品中的每个样，通过其横断面上五个压痕的平均偏差和标准偏差来评估机械性能。
