放电等离子烧结工艺对Z r B2-Y A G陶瓷力学性能的影响

宋杰光王秀琴王伟元张小强马永红吴龙彪吴 婷张联盟

（1.九江学院机械与材料工程学院，九江：332005；2.九江学院图书馆,九江：332005；3.武汉理工大学材料复合新技术国家重点试验室，武汉：430070）

放电等离子烧结工艺对Z r B2-Y A G陶瓷力学性能的影响

宋杰光1王秀琴2王伟元1张小强1马永红1吴龙彪1吴 婷1张联盟3

（1.九江学院机械与材料工程学院，九江：332005；2.九江学院图书馆,九江：332005；3.武汉理工大学材料复合新技术国家重点试验室，武汉：430070）

ZrB2具有优良的物理特性和化学稳定性而应用于许多领域，但是ZrB2难以烧结致密和在高温条件下容易被氧化。为了充分发挥ZrB2的优点，改善ZrB2的缺点，本文采用共沉淀法制备壳核式Al2O3-Y2O3/ZrB2复合粉体，通过放电等离子烧结法制备高致密的ZrB2-YAG陶瓷。研究结果表明：烧结温度由1300℃到1700℃时，陶瓷杨氏模量和断裂韧性都增大；在20MPa前，陶瓷杨氏模量和断裂韧性随着烧结压力增大而逐渐增大；在保温时间小于4min，陶瓷的杨氏模量和断裂韧性随着保温时间的延长而增大。

ZrB2，YAG，壳-核结构，共沉淀法，放电等离子烧结

1 引言

ZrB2具有极高的熔点、强度、硬度和导电率，且导电率温度系数为正，低的热膨胀系数，好的化学稳定性、捕集中子、阻燃、耐热、耐腐蚀和轻质等特殊性质，因此，应用领域非常广泛[1-2]。ZrB2熔点高，难以烧结致密，纯ZrB2的烧结需要2300℃以上的高温。如何提高ZrB2陶瓷的致密度一直是一个研究的重点。近年来国内外诸多学者对二硼化锆复合材料的烧结致密化工艺进行了大量的研究工作[3-4]。

钇铝石榴石简称YAG，分子式为Y3A15O12，是由氧化钇和氧化铝高温下反应生成的一种具有石榴石结构的化合物。属氧化物族，立方晶系。YAG熔点为1970℃，YAG晶粒之间没有形变，因此表现出了很好的高温蠕变特性，是目前所知抗蠕变性能最好的氧化物材料。其强度和韧性可以保持在其熔点附近而不降低。YAG直到1600℃时断裂应力变化都不大。YAG还具有很好的化学稳定性，几乎不被酸碱腐蚀。YAG在高温氧化气氛中也十分稳定，保持100小时重量没有任何变化。因此，YAG也被认为是高温结构用材料的候选材料之一[5-8]。

虽然ZrB2具有优良的物理特性和化学稳定性而应用于许多领域，但是ZrB2难以烧结致密和在高温条件下容易被氧化。为了充分发挥ZrB2的优点，改善ZrB2的缺点，本文采用共沉淀法制备YAG前驱体A1(OH)3-Y(OH)3包覆ZrB2粉体，最终得到包覆式A12O3-Y2O3/ZrB2复合粉体作为制备高致密具有壳-核结构的YAG-A12O3/ZrB2高温复相陶瓷。

2 试验

2.1 陶瓷的制备

采用日本住友石炭矿业株式会社制造的放电等离子烧结炉(SPS-1050)进行ZrB2-YAG陶瓷的烧结研究。具体烧结步骤为：将A12O3-Y2O3/ZrB2复合粉体(图1)装入石墨模具并放入SPS烧结炉中，真空度小于20Pa，加压，升温速度为100℃/min进行烧结并保温，保温完毕后试样随炉冷却。用透射电镜(型号：TEM JEM-2010,Japan)分析复合粉体的外观形貌。

采用高精密磨床对试样表面进行打磨抛光，并用超声波对其进行清洗，烘干得到备用试样(Ф20mm)(图 2)。

2.2 陶瓷性能测试

采用超声波脉冲回波法对试样的横波和纵波声速进行测试，并通过公式1对杨氏模量进行计算。所使用的测量仪器为超声信号发生接收器 (型号：Panametrics 5072PR)和示波器(型号：TD S2022)。

式中：E为杨氏模量，ρ为试样密度，Ct为横波声速，Cl为纵波声速。

材料的断裂韧性采用压痕法进行测试，仪器为HX-1000显微硬度计(上海泰明光学仪器有限公司)，其计算公式2所示。

式中：KIC为断裂韧性，E为杨氏模量，HV为维氏硬度，P为压力，C为裂纹半长。

3 结果与讨论

3.1 烧结温度的影响

图3和图4是烧结温度与陶瓷力学性能之间的关系图，从图中可以看出，陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度都随着烧结温度的升高而增大。烧结温度由1300℃到1700℃时，陶瓷杨氏模量和断裂韧性都增大。这主要是由于在此过程中陶瓷内部正处于致密化过程，使得陶瓷的致密度有了很大的提升。1800℃与1700℃相比，陶瓷杨氏模量和断裂韧性没有明显变化。这主要是因为1800℃与1700℃相比，陶瓷致密化程度变化不明显。因此确定陶瓷烧结温度为1700℃。

3.2 烧结压力的影响

图5和图6是烧结压力与陶瓷力学性能的关系图。从图中可以看出，在20MPa前，陶瓷杨氏模量、断裂韧性和硬度随着烧结压力增大而逐渐增大。随着烧结压力增大，陶瓷致密度升高，使陶瓷中具有少量细小孔隙(图7)，它们能够在陶瓷产生裂纹时起到钝化裂纹扩展的作用[9-10]。在20MPa后，陶瓷杨氏模量、断裂韧性和硬度随着烧结压力增大增量不多。因为在此20MPa后，陶瓷的致密度程度变化不明显。因此可确定烧结压力为20MPa。

3.3 保温时间的影响

图8和图9是保温时间与陶瓷力学性能之间的关系图，从图中可以看出，在保温时间小于4min，陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度随着保温时间的延长而增大；保温时间大于4min，陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度随着保温时间的延长增大较小。因此，确定保温时间为4min。保温4min，陶瓷的杨氏模量和断裂韧性分别为430GPa和3.76MPam1/2。

4 结论

(1)陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度都随着烧结温度的升高而增大。烧结温度由1300℃到1700℃时，陶瓷杨氏模量和断裂韧性都增大。而1800℃与1700℃相比，陶瓷杨氏模量和断裂韧性没有明显变化。

(2)在20MPa前，陶瓷杨氏模量、断裂韧性和硬度随着烧结压力增大而逐渐增大。在20MPa后，陶瓷杨氏模量、断裂韧性和硬度随着烧结压力增大增量不多。

(3)在保温时间小于4min，陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度随着保温时间的延长而增大；保温时间大于4min，陶瓷的杨氏模量、断裂韧性和硬度随着保温时间的延长增大较小。

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2 宋杰光,纪岗昌,李世斌等.ZrB2-YAG陶瓷的烧结致密化研究.硅酸盐学报,2009,37(4):102～106

3 宋杰光,罗红梅,杜大明等.二硼化锆陶瓷材料的研究及展望.材料导报,2009,23(2):43～46

4 宋建荣,刘蓓蓓,李俊国.ZrB2/ZrO2复合粉体的放电等离子烧结行为.硅酸盐学报,2002,30(4):486～490

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10 Xu C H.Preparation and performance of an advanced multiphase composite ceramic material.J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25:605～611

EFFCT OF SPARK PLASMA SINTERING TECHNOLOGY ON THE MECHANICAL PROPERTY OF ZrB2-YAG CERAMICS

Song Jieguang1Wang Xiuqin2Wang Weiyuan1Zhang Xiaoqiang1Ma Yonghong1Wu Longbiao1Wu Ting1Zhang Lianmeng3
(1.School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005;2.Library of Jiujiang University,Jiujiang 332005;3.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070)

Because ZrB2has some excellent physical performance and chemical stability,it has been widely applied in a lot of fields,but ZrB2is too difficult to be densified during sintering and easy to be oxidized at high temperature.To keep advantages and improve disadvantages of ZrB2,A12O3-Y2O3/ZrB2composite powders with shell-core structure are prepared by co-precipitation,and then high density ZrB2-YAG ceramics are prepared by spark plasma sintering.Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are increased by increasing sintering temperature from 1300℃ to 1700℃.When the sintering pressure is less than 20MPa,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the sintering pressure.When the holding time is less than 4 min,Young's modulus and fracture toughness of ZrB2-YAG ceramics are gradually increased by increasing the holding time.

ZrB2,YAG,shell-core structure,co-precipitation method,spark plasma sintering

on Oct.23,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0195-04

2009-10-23

江西省教育厅青年科学基金项目（编号：GJJ09595）,江西省高校省级教改项目（编号：JXJG-09-17-6），九江学院大学生自主创新性实验项目

宋杰光，E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn

Song Jieguang,E-mail:songjieguang@yahoo.com.cn