《氧化锆粉体工艺控制》-毕业论文设计（学术).doc

引言 1.1课题背景 氧化锆功能材料和制品年需求量 4500 吨以上，用于氧化锆导电陶瓷（高温电极、高温电热元件）；氧化锆气敏陶瓷（电池、氧传感器）；氧化锆红外辐射陶瓷、陶瓷工业用颜料和色料、氧化锆生物陶瓷。其中仅以单斜氧化锆为主原料生产的特定陶瓷色料，如：矾兰、镨黄、铁红和珊瑚着色剂等，年需求量 3000吨，大部分依靠进口。我国有着数千家诸如景德镇陶瓷有限公司等工业陶瓷、日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等陶瓷企业，而且华人和德国人对氧化锆陶瓷色料有着惊人的厚爱，需求电熔氧化锆数量巨大而自给量又小，基本属半真空市场。我国的磨料磨具企业，用于制造氧化锆砂轮、高级研磨材料等。 ZrO2粉体是重要的氧化物陶瓷材料之一。由它制备的结构陶瓷元器件如刀具、模具、阀门、轴承、发动机衬里、高温耐火材料等具有优良的机械和物理性能;由它制备的多种功能陶瓷元件如氧传感器、高温固体燃料电池、压电陶瓷、铁电陶瓷等具有特异的电及电化学性能。近年来,人们还发现了纳米ZrO2陶瓷的超塑性行为及特异表面行为,这些使得ZrO2 的应用十分广泛。有关ZrO2 的研究,包括ZrO2 初始粉体的制备研究、ZrO2 陶瓷元件的制备及其应用已成为当今研究界的热点之一。 ZrO2为白色无定型重质粉末,其晶体有多种变体。白色粉末为单斜晶系,无臭无味,立方型密度为5.6,单斜晶型密度为5.85,熔点2715℃,不溶于水、盐酸和稀硫酸,熔于热浓氢氟酸、硫酸与碱共熔可生成相应锆酸盐,化学性能稳定。 氧化锆是多晶型氧化物，有三种同素异形结构，即单斜结构（m相）、四方结构（t相）和立方结构（c相）。三者的转变关系为： m-ZrO2 ( 1170℃) → t- ZrO2(2370℃) →c-ZrO2 上述转化是可逆的相转变过程，常温下只能是单斜相氧化锆。升温时ZrO2由单斜向四方一转化，有明显的体积收缩，而降温时(四方向单斜转化)产生体积膨胀。ZrO2由单斜向四方a转化的温度通常在1100℃ 到1200℃之间，但在冷却由t- ZrO2转变为m- ZrO2时，由于m- ZrO2新相晶核形成困难，转变温度在850℃到1000℃之间 。因此ZrO2在850℃到1200℃之间的晶相转变会出现温度滞后现象。 ZrO2四方相与单斜相之间的转变是马氏体相变。由于四方相转变为单斜相时有3-5%的体积膨胀和7-8%的切应变，因此，纯ZrO2制品往往在生产过程(从高温到室温的冷却过程)中会发生t- Zr02转变为m- ZrO2的相变并伴随着体积变化而产生裂纹，甚至碎裂，因此无多大的工程价值。在ZrO2中添加 CaO,Al2O3, CeO2, 等氧化物作为稳定剂，使之与ZrO2形成固溶体或复合体，改变晶体内部结构，可形成亚稳的四方相或立方相，起到稳定的作用。加入稳定剂后，可以降低c- ZrO2→ t- ZrO2与t- ZrO2→m- ZrO2的相变温度，使高温稳定的c- ZrO2和t- ZrO2相也能在室温下稳定或亚稳定存在。当加入的稳定剂足够多时，高温稳定的。c- ZrO2可以一直保持到室温不发生相变。 研究还发发生马氏体相变时伴随着体积和形状的变化，减缓裂纹尖端应力力集中，阻止裂纹的扩展，提高陶瓷韧性，这一特性使氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到迅速发展。氧化锆相变增韧陶瓷有三种类型，分别为部分稳定氧化锆陶瓷;四方氧化锆多晶体陶瓷及氧化锆增韧陶瓷。 a)当ZrO2中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的c- ZrO2通过适当温度下时效处理使c- ZrO2大晶粒（c相）中析出许多细小纺锤状的t- ZrO2 ( t相)晶粒，形成c相和t相组成的双相组织结构。其中c相是稳定的，而t相是亚稳定的，并一直保存到室温。在外力诱导下有可能诱发t相到m相的马氏体相变并伴随体积膨胀，耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。这平中淘瓷称之为部分稳定氧化错(partially stabilized zirconia, PSZ),当稳定剂为CaO , MgO, Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ, Mg-PSZ, Y-PSZ等。 b)当ZrO2中稳定剂加入量控制在适当量时，可以使t-ZrO2以亚稳状态稳定并保存到室温，那么块体氧化错陶瓷的组织结构是亚稳的t- ZrO2细晶组成的四方氧化锆多晶体，称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal,TZP)。在外力作用下可使t- ZrO2发生相变，增韧不可相变ZrO2基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。当加入的稳定剂是Y2O3、CeO2，则分别表示为Y-TZP,Ce-TZP等。 c)如果在不同陶瓷基体中加入一定量的ZrO2并使亚稳四方氧化锆多晶体均匀的弥散分布在陶瓷基体中，利用氧化锆