烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响.docx

烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响运新跃 1 ,黄德信 2 ,徐兵 2 ,李雨林 2 ,蒋丹宇 2 ,张骋 3( 1. 天津医科大学口腔医院 ,天津 300070; 2. 中国科学院上海硅酸盐研究所 ,上海 200050;3. 上海应用技术学院材料工程系 ,上海 200235 )摘要 :本文以经 900 、1000 和 1100 三种不同温度煅烧处理的 3mo l%的氧化钇稳定氧化锆粉体为原料 ,在1450 、1500 和 1550 三个温度下烧结致密块体陶瓷 。并测定了烧结体的相组成 、密度 、硬度和断裂韧性等性 能 。结果表明 :经高温煅烧的粉体的烧结致密度随烧结温度的上升而提高 ;材料的硬度随密度的增加而相应提高 ; 烧结氧化锆的断裂韧性指标主要与材料中亚稳四方相含量有关 。关键词 :烧结温度 ; 氧化锆陶瓷 ; 相组成中图分类号 : TQ174. 75文献标识码 : A文章编号 : 1001 21625 ( 2009)增刊 20102 204Effec t of S in ter in g Tem pera ture on the Pha sean d M echan ica l Proper t ie s of Y 2TZPYUN X in 2yue1 , HUAN G D e2x in2 , XU B ing2 , L I Yu 2lin2 , J IAN G D an 2yu2 , ZHAN G C heng3( 1. Ho sp ital of Stom a to logy, Tian jin M ed ica l U n ive rsity, Tian jing 300070 , Ch ina;2. Shangha i In stitu te s of Ce ram ic s, Ch inese A cadem y of Sciences, Shanghai 200050 , Ch ina;3. D ep a rtm en t of M a te rials Engineering, Shangha i In stitu te of Techno logy, Shangha i 200235 , Ch ina; )A b stra c t: The 3mo l% Y2 O3 stab ilizing ZrO2 powde rs ca lc ined a t 900 , 1000 and 1100 we resin te red unde r th ree d iffe ren t temp e ra tu re s of 1450 , 1500 and 1550 . The p ha se compo sition s, den sity, ha rdne ss and frac tu re toughne ss of a s2sin te red bu lk m a te ria ls we re m ea su red and comp a red. The re su lts show tha t fo r the ZrO2 powde rs ca lc ined a t h ighe r temp e ra tu re s, the den sity of sin te ring body inc rea se s w ith the inc rea sing of firing temp e ra tu re. D en se m a te ria l p roce sse s h ighe r ha rdne ss and bo th den sity and ha rdne ss a re enhanced by e leva ting the sin te ring temp e ra tu re. The fac tu re toughne ss va lue ofthe a s2sin te red zircon ia dep end s grea tly on the con ten t of m e ta stab le te tragona l p ha se.Key word s: sin te ring temp e ra tu re; ZrO2 ce ram ic s; p ha se compo stion1 引言四方氧化锆陶瓷 ( TZP)是一种室温力学性能优良的陶瓷材料 ,常被应用于严酷环境和苛刻负载条件 ,如用做拉丝模 、轴承和密封件 ,以及发动机活塞顶 、气门机构中的凸轮 、玻璃纤维和磁带的切刀等 1 。同时 , 钇 稳定四方氧化锆陶瓷 Y2TZP还表现出良好的耐磨性 、耐腐蚀性和生物相容性 ,被认为是最具发展潜力的齿 科生物陶瓷材料之一 。与其他陶瓷相比 ,其烧结温度低 ,大约在 1400 1550 ,材料烧结性能好 ,致密度高 。 氧化锆陶瓷材料的增韧效果与成分 、烧结温度 、原料粉体颗粒尺寸等因素密切相关 ,这些因素之间相互联系 、作者简介 :运新跃 ( 1966 2) ,女 ,硕士 ,副主任医师. 主要从事生物陶瓷材料的研究.通讯作者 :张 骋. E2m a il: czhang sit. edu. cn103增刊运新跃等 :烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响相互制约 ,决定了烧结材料的相组成和力学性能 2 。本文研究了不同温度下烧结得到的氧化锆陶瓷的相组成 、硬度和断裂韧性等力学性能 ,分析了烧结温度 对氧化锆陶瓷材料力学性能的影响 。2 实验采用江西生产的 FZR 22高纯纳米级氧化锆粉料 (含 3mo1 %氧化钇 )为原始粉料 ,并将粉体在 900 (粉体 A ) 、1000 (粉体 B )和 1100 (粉体 C )三种温度下进行 2 h保温煅烧处理 。称量三种煅烧后的氧化锆 粉体各 200 g,分别与适量的氧化锆磨球 、水和 PVA (聚乙烯醇 )一起放入球磨罐球磨 24 h。球磨后的粉体经烘干 、磨细和过筛 ,干压成型 ,等静压处理 。将成型后的三种氧化锆坯体分别在 1450 、1500 、1550 下的烧结 2 h,得到了 9种不同煅烧和烧结条件的氧化锆烧结体 。对上述 9种烧结体利用 X射线衍射仪 ( XRD ) (D /m ax 2550V ,理学电子 )确定相组成 ; 采用阿基米德法 测定密度 ;硬度和断裂韧性 (压痕法 )在 W ilson2W o lp e rt Tukon 2100B 硬度计上检测 ; 不同温度下煅烧粉体的 粉体粒度和比表面积也分别用激光衍射粒度分析仪 (M a ste rsize r2000 ,马尔文公司 ) 和比表面积及孔隙分布测定仪 (B ET) ( Trista r 3000 ,麦克仪器公司 )进行测定分析 。3 结果与讨论3. 1 经不同温度煅烧后粉体的特性比较原料氧化锆粉体经 3种不同温度下的煅烧处理后 ,所得粉体的粒径和比表面积如表 1。表 1 氧化锆粉体煅烧后的粒径及比表面积 Ta b. 1 Pa r t ica l s ize s an d BET of ZrO 2 powder ca lc in ed a t d ifferen t tem pera ture s d50 /mB ET /m2 g - 1Typ eB ET d iam e te r /mAB5. 848. 920. 040. 0428. 0127. 35 C 7. 02 0. 06 16. 30 从表 1可以看到 ,经 900 煅烧后得到的粉料的平均粒径最小 。通常氧化锆粉体在煅烧后 ,都会形成接近微米级的硬团聚体 ,氧化锆粉体的激光粒度 d50数据主要测量的是粉体的团聚体大小 。而粉料的比表面积 随着煅烧温度的升高而降低 ,这是随着煅烧温度的提高晶粒不断长大的结果 。在煅烧温度为 900 1000 之间时 ,这种下降趋势不明显 ,而在温度为 10001100 时 ,粉体比表面积下降速率显著加快 。对三种煅烧氧化锆粉体分别进行了 XRD 检测 ,通过比较 2= 30 处的四方相特征衍射峰 t ( 101 )和其两 侧的两个单斜相特征衍射峰 m ( 111 )和 m ( 111 ) ,进行了相含量的半定量分析 ,得到粉体中所含单斜相 (m )和四方相 ( t)的含量 3 。结果如表 2所示 。由表 2可知 ,随着煅烧温度的提高 ,单斜相的比例也有所提高 。这是由于煅烧过程中晶粒长大导致部分 四方相相变形成单斜相 。表 2 氧化锆粉体煅烧后的各相含量 Ta b. 2 Pha se com po s it ion s of ZrO 2 powder ca lc in ed a t d ifferen t tem pera ture s Pha se compo sition s of monoc lin ic (m ) / %Pha se compo sition s of te tragona l (m ) / %Temp e ra tu re s / 900100032. 732. 567. 367. 6 1100 40. 6 59. 4 3. 2 粉体烧结后材料特性比较与讨论 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 104 专题论文硅 酸 盐 通 报第 28卷三种经不同温度烧结后粉体煅烧所得块体材料密度的变化的如图 1 所示 。由图 1可知 ,三种粉体的都已烧结致密 ,密度差别不大 。以粉体 B 和粉体 C 为原料的烧结体密度随烧结温度升高 ,有一定提高 。这可能是由于粉体 B 和 C的一次粒径大 ,烧结活性低 ,因此致密化末端存在随烧 结温度提高而致密化程度提高的过程 。粉料开始烧结温度主要与一次粒子尺寸有关 ,粉料越细 ,坯体的开始 烧结温度越低粉体烧结活性高 。相对于粉体 B、粉体 C ,粉体 A 由于一次粒径小 ,因此在较低温度就达到致密化 。图 2为粉体 A 经不同温度烧结得到的材料的 XRD 谱 。由图 2 可见 , 30 处的最高峰为四方相的特征衍 射峰 t ( 111 ) ,在 2= 35 处有两个小峰 ,其中左边的为四方相的特征衍射峰 t ( 002 ) ,右边的为四方相和立方 相共同的特征衍射峰 c. t ( 200 ) 。粉体 B 和粉体 C经三种温度烧结得到的材料的 XRD 谱与粉体 A 相似 。通常情况下立方相晶型是出现在温度高于 2370 ,由于本实验所选择的氧化锆原料中加入了 3 %左右 的氧化钇 ,所以烧结体中出现立方相的原因为 :粉体中的氧化钇分布不均 ,部分氧化钇含量高的晶粒在较低的温度下烧结过程中转变为立方相 。对于烧结体中立方相含量的分析 ,可采用 XRD 图中双谱线峰强度比 I ( 200 ) / I ( 002 )的无标样 X射线半 定量相分析法 。结果如表 3 所示 。表 3 粉体在不同温度烧结后材料中立方相含量 Ta b. 3 C ub ic pha se con ten t of ZrO 2 s in tered a t d ifferen t tem pera ture s / %Powde rSin te red a t 1450 Sin te red at 1500 Sin te red a t 1550 AB1. 861. 611. 371. 6741. 351. 67 C 1. 46 1. 21 1. 38 由表 3可以看出 ,在 14501500 之间烧结时 ,粉体 A 烧结体中立方相含量随烧结温度的升高而减小 ,并且变化较为明显 ,在 1500 之后其立方相含量较为稳定 。而粉体 B 和粉体 C 烧结后立方相含量没有太 大的改变 。对 9种烧结氧化锆材料检测了硬度和断裂韧性 ,得到的结果如图 3和图 4所示 。由图 3可以看出 ,材料的硬度随烧结温度的变化曲线同密度曲线较为相似 ,这是由于材料的硬度与其致 密程度有较大关系 。材料的密度提高 ,硬度上升 ;材料的致密度降低 ,硬度下降 。从图 4可以发现 ,随着烧结温度的升高 ,粉体 B 和粉体 C的烧结体的断裂韧性值都较为稳定 。而粉体 A的断裂韧性随烧结温度的升高变化显著 。造成粉体 A 和粉体 B、C 之间烧结后相含量与断裂韧性的差异的 原因主要是由于煅烧后粉料的性能差异 。由于煅烧温度较低 ,粉体 A 的一次粒径较小 ,而在 1450 1500 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 105增刊运新跃等 :烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响烧结时 ,温度的提高使晶粒长大 ,降低了四方相的稳定性 ,提高了烧结材料的断裂韧性 。而粉体 B 和粉体 C烧结的体断裂韧性与烧结温度关系不大 ,可能是由于较高的煅烧温度使更多的亚稳四方相发生了相变 ,降低 了四方相的稳定程度 ,使体材料在较低烧结温度就有较高的韧性 ,提高烧结温度反而对韧性影响不大 。经煅烧后粉料中单斜相和四方相的含量是影响烧结材料的断裂韧性的另一主要因素 。从三种氧化锆粉料相含量的数据可以看出 ,粉体 A、B 中单斜相与四方相的含量较为接近 。而粉体 C 中单斜相含量比 A、B 粉料高约 8 % 。由于粉体 C中单斜相较多 ,因此可相变的四方相较多 ,而容易相变的四方相使材料的断裂韧 性更高 ,所以粉体 C烧结体的断裂韧性应较好