PSZ-ZTA层状复合陶瓷的制备

石 棋 武敬君

景德镇陶瓷大学 江西 景德镇 333403

引 言

前人研究[1～6]的系层状复合陶瓷材料其表层多取ZTA材料，且表层较薄一般为300～500μm。由于其表面薄层在高温下反复使用时，材料会受到化学侵蚀以及热震导致的表面脱落等不利因素影响，薄层的设计不利于长期反复使用。本文主要研究厚层复合。

1、实 验

1.1实验原料与配方

本实验主要采用氧化铝、部分稳定氧化锆(3YPSZ)、碳酸钙、二氧化硅等作为原料。因全稳定氧化锆陶瓷与氧化铝的热膨胀曲线斜率差距较大，故本实验仅涉及表层为部分稳定氧化锆陶瓷材料。

实验首先确定氧化锆层配方，通过调整氧化铝层配方来与氧化锆层匹配，氧化铝层具体配方如表1。

1.2制备工艺与工艺参数

按照表1、表2配料、球磨、烘干、造粒、干压成型于最高温度1700℃的推板窑中烧结，高温保温2小时，升温速度5℃/min。所制备层状复合样品总厚度为5-6mm，表层氧化锆厚度为2-3mm。

2、结果分析

2.1 热膨胀分析

图1(a)为部分稳定氧化锆层材料的热膨胀曲线图。在800℃之前与1100℃之后，材料的热膨胀与温度均呈线性关系。800-1100℃范围内，材料膨胀与温度关系呈现先减小随后增大的非线性特点。

图1 (b)为表1中2、3、4号氧化铝层配方热膨胀曲线，可以看到配方2中ZrO2:Al2O3=2:8时，其热膨胀曲线为直线；3、4号配方中当ZrO2含量增多时材料的热膨胀在约450℃开始出现非线性变化。

表1 氧化铝层配方

对比图1(a)、(b)可发现，只有2号配方材料800℃之前热膨胀曲线为直线，与氧化锆层材料的热膨胀曲线相匹配，即只有当ZrO2:Al2O3=2:8时，氧化铝层材料的热膨胀曲线才可能与氧化锆层材料在800℃之前相吻合。

图1 (c)图为5、6、7号配方以及氧化锆层热膨胀曲线组图，8号配方过烧因此无测试。从图(c)中可以看出5号陶瓷热膨胀曲线为直线，6、7其热膨胀曲线在800℃附近均有波动，先减小随后增大。其中6号配方，当SiO2含量为2.47g的时候其热膨胀曲线与氧化锆层最为接近。

图1 氧化锆层和氧化铝层的热膨胀曲线

2.2 微区元素分析

表2 微区元素含量

图2为层状复合陶瓷的样品层界面扫描图，上层为氧化锆层，下层为氧化铝层。对该区域层结合处以及上下部分进行微区分析，选取5个点位置进行元素扫描，所得结果如表2所示。

图2 陶瓷层界面点扫描图

其中1、2、3区位于氧化锆层，可以看出区域1以大晶粒的氧化锆为主，区域2、3主体为氧化锆，其次为Al，其余部分可能是Si、Al或Zr高温共融冷却形成的非晶态物质。区域4位于层面结合处，亦含有少量Si与Al。区域5位于氧化铝层，Al含量明显高于其他4个区。2、3各区域均含有Si，而2、3区处于氧化锆层，配方中并未引入Si元素。这表明Si元素在高温下发生扩散行为，由氧化铝层经界面处扩散至氧化锆层。

表2中2、3区域皆处于氧化锆层，区域5位于氧化铝层，2、3处Si元素含量皆高于区域5。结合热膨胀曲线图推测，SiO2与CaO和Al2O3高温下形成CaOAl2O3-SiO2三元系统并共融成液相，通过液相流动传质的方式由氧化铝层进入氧化锆层，并填充于缝隙之中起到消除高温下的热应力等作用。降温过程中形成的含硅非晶态具有较低的热膨胀系数，其弥散在氧化锆晶粒周围可以降低氧化铝晶粒对氧化锆晶粒的压制作用，从而单斜氧化锆得以相变。因此加入二氧化硅之后的热膨胀曲线与氧化锆层热膨胀曲线更为符合。

2.4 抗折强度的分析

表3 陶瓷的抗折强度

表3为6号实验所制备的层状复合陶瓷以及单独的氧化铝层及氧化锆层的强度数据。

由上表的抗折强度数据可知：氧化锆层的抗折强度较低；氧化锆-氧化铝层状复合层的强度大于单层氧化锆层的强度和单层氧化铝层的强度。说明在相同条件下，层状复合陶瓷可以承受更大的外力，具有更好的机械性能，更高的抗折强度。

3、结论

综合以上分析可以得出以下几点结论：

(1)PSZ-ZTA层状复合陶瓷可实现厚层复合。

(2)当PSZ-ZTA层状复合陶瓷氧化铝层配方为：20g3Y-PSZ、80gAl2O3、2.47gSiO2、1.07gCaCO3时与氧化锆层复合结果较好。

(3)SiO2与CaO和Al2O3高温下形成CaO-Al2O3-SiO2三元系统并共融成液相，在层界面附近由氧化铝层通过液相流动传质的方式至氧化锆层，从而起到消除部分层间应力的作用使两层材料更好的结合。降温过程中液相冷却形成的玻璃相阻碍了氧化铝的收缩应力作用于氧化锆晶粒，为四方氧化锆向单斜相转化预留了空间，促使四方氧化锆完成向单斜相的转变，使氧化铝层的热膨胀曲线趋近于氧化锆层，解决因热膨胀不同导致复合陶瓷的层间开裂、变形等问题。