成型压力对CZP陶瓷的影响及抗热震性能研究

2022-06-20韩龙梁慧刘伟

佛山陶瓷 2022年4期

韩龙　梁慧　刘伟

摘要：研究了成型压力对CaZr4P6O24（简称CZP）陶瓷的力学性能和介电性能的影响关系，实验结果表明：成型压力在100 MPa时陶瓷的综合性能（抗弯强度值为74.96 M Pa、介电常数为3.65、介质损耗0.0058）最好。将该CZP陶瓷进行抗热震性测试，将CZP陶瓷升温至1000℃，保温时间为1h，即取出放入20℃的水中10 min，烘干后在400倍显微镜下观察无裂纹出现，测试其剩余抗弯强度为70.46MPa，为测试前的94%，表明该材料具有良好的抗热震性能。

关键词：成型压力; CaZr₄P₆O₂₄陶瓷 ;介電性能 ;抗热震性能

1 引言

CaZr₄（PO₄）₆（简称CZP）磷酸盐陶瓷材料具有很好的高温稳定性和良好的抗热冲击能力，它属于NZP族材料。该族材料具有低膨胀性[1-2]，在航空器表面涂层等领域被广泛地应用 [3]。

Limaye等人[4]研究了CZP的热膨胀性质，发现其具有很低的热膨胀性能，体膨胀系数为-1.6×10^-6/℃。

CZP磷酸盐陶瓷材料的抗弯强度和介电性能与其制备工艺有关，本文主要研究成型压力对CZP磷酸盐陶瓷性能的影响。

抗热震性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，也称热稳定性。陶瓷材料的抗热震能力是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现，这是无机非金属材料的重要工程物理性能之一。其热冲击损坏有两种类型：一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性;另一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。脆性陶瓷的抗热震评价起源于两种观点，一种是基于热弹性理论，另一种的基础是断裂力学概念。

按照断裂力学概念，测试抗热震能力有两种方法：

1）测试材料反复热震，直到出现开裂或剥落时的热震次数N;

2）测试材料经过一次热震（急冷）后的强度（残余强度），比较原有强度和残余强度来评价材料的抗热震能力。

本研究采用第二种测试方法。

2实验

本研究以直接共沉淀法制备的CaZr₄P₆O₂₄陶瓷粉体为研究对象，CZP陶瓷粉体添加3wt%的ZnO作助烧剂及3wt%的SiO₂作为晶粒抑制剂[5]，分别在50、100和150MPa的压力下干压成坯体。坯体在1150℃下无压烧结，升温速率为5℃/min，保温时间为2h。

抗热震性能试验中，将试样在1000℃下保温1h后取出立即投入20℃的水中急冷，保持10min。然后在400倍光学显微镜下观察是否有裂纹，并测试其残余抗弯强度，与同样烧结条件下未经抗热震实验的另一个陶瓷样品的抗弯强度进行比较。

3结果及讨论

3.1 显微结构分析

图1为不同成型压力下CZP陶瓷SEM图像。从图1（a）中可以看出，成型压力为50MPa时，陶瓷体存在一定的孔洞，致密度不高，孔洞中的晶粒排列紧密。从图1（b）中可以看出，成型压力为100MPa时，陶瓷材料晶粒排列紧密，气孔少，致密度很高。从图1（c）中可以看出，成型压力为150MPa时，陶瓷材料颗粒排列非常紧密，致密度非常高。从显微结构上看，CZP陶瓷材料在一定范围内随着成型压力的增加，陶瓷的致密度呈增加的趋势。

3.2 抗弯强度分析

如表1不同成型压力下CZP陶瓷性能结果所示，CaZr₄P₆O₂₄陶瓷在50、100、150 MPa成型压力下的三点抗弯强度值分别为64.26、74.96、81.38 MPa。可见，随着成型压力的增大，陶瓷的抗弯强度值增加。分析原因，适当增大成型压力，使坯体致密化程度提高，结合气孔率测试结果，发现气孔比例下降，陶瓷在50到150 MPa成型压力下，气孔率由4.8%下降到了2.8%，坯体致密化、气孔率下降因素导致了陶瓷抗弯强度的增加。

3.3 介电性能分析

本研究CZP陶瓷介电性能只与陶瓷体内的气孔率有关，因为本研究的主晶相和玻璃相含量都是相同的，所以，气孔率越高的陶瓷体，其介电常数越小，从表1不同成型压力下CZP陶瓷性能结果可以看出，陶瓷的气孔率由4.8%下降到2.8%，陶瓷的介电常数由3.48增加到4.12。而介质损耗值和气孔的关系正好与介电常数相反，气孔率越高，陶瓷体的介质损耗值越大，由表1可以看出，陶瓷的气孔率由4.8%下降到2.8%，陶瓷的介质损耗值由0.0086下降到0.0042。

3.4热震性能前后陶瓷表面显微结构分析

图2为抗热震性能实验前后CZP陶瓷的表面微观形貌，从图2可以看出，材料在接近1000℃温差下做抗热震实验后陶瓷材料的表面未出现裂纹，从陶瓷材料的表观上来看，其大小形状都未发生变化，说明材料具有良好的抗热震性能。

3.5 剩余强度

将陶瓷试样在接近1000℃温差下做抗热震实验，测量其剩余抗弯强度为70.46MPa，测试前的抗弯强度为74.96 MPa，剩余抗弯强度为测试前的94%。结合陶瓷体的微观形貌，表面无裂纹出现，外观基本没有变化，说明力学性能损失不大，表明CZP陶瓷材料具有很好的抗热震性能。

4 结论

1）坯体的成型压力在100 MPa时，CZP陶瓷材料的综合性能最好，介电常数在4以下，三点抗弯强度为74.96MPa。减小成型压力至50 MPa，力学性能下降;增大成型压力至150 MPa，力学性能增加，但介电常数大于4。E80D612A-C8AA-466A-91B6-A341199C4FE9

2）用測试材料经过一次热震（急冷）后的强度（残余强度），比较原有强度和残余强度来评价材料的抗热震能力。将CZP陶瓷材料在接近1000℃的温差下做抗热震实验，结果在400倍光学显微镜下观察陶瓷体表面无裂纹出现，测试其剩余抗弯强度值为70.46MPa，为测试前的94%。表明抗热震实验对CZP陶瓷的力学性能损失不大，表明CZP陶瓷材料具有较好的抗热震性能。

参考文献

[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，刘瑞祥，周长灵，刘福田.MgO烧结助剂对CaZr₄（PO₄）₆陶瓷力学性能及热膨胀系数的影响[J].现代技术陶瓷，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] 韩龙，侯宪钦.烧结工艺对CaZr₄P₆O_（24）陶瓷性能的影响[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