硅酸锆陶瓷的制备与表征

王广芹,陈常连,季家友,鲍世聪,黄志良

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

硅酸锆属于四方晶系，为岛状结构的硅酸盐矿物，硅酸锆因其具有高熔点、低热导率、低膨胀系数、优良的化学及相稳定性等特点[1-2]，广泛用于耐火材料和锆基材料[3-4].锆英石的烧结较困难，在高温下靠固相扩散作用，其速度非常缓慢，难于烧结，常需加入某些氧化物促进其烧结[5].锆英石在高温下容易分解[6]，其分解出的ZrO2如不进行稳定，随着温度的变化会呈现出不同的晶体结构[7-8]，并伴有较大的体积效应，造成产品破坏，制约了硅酸锆材料的高温使用及应用领域的进一步拓宽.1975年R. G. Garvie以氧化钙为稳定剂制得部分稳定氧化锆，到目前为止，与此相关的研究已有较多[9-12]，主要是在原料中加入添加剂抑制晶型转变及对材料进行增韧[13]，但是对其高温分解及分解出的ZrO2进行完全稳定缺乏系统性的研究.

本论文利用锆英石作原料，通过Y2O3添加量和烧结温度的变化，系统地研究了硅酸锆陶瓷的密度、物相及显微结构的变化，为提高硅酸锆陶瓷的高温应用范围奠定了基础.

1 实 验

1.1 原料及配比

实验原料为硅酸锆(ZrSiO4，3A，山东辰源超细粉体有限公司生产)和氧化钇(Y2O3,4 N,10 g，国药).试样配比如表1所示.

表1 试样配比

(硅酸锆烧失量，取98%)

1.2 样品制备与表征

按表1配方进行配料后进行充分研磨并混合均匀，然后称取一定量的混合料，在769 YP-24 B型粉末压片机上压制成型，成型压力为90 MPa，坯体直径为13 mm，然后将坯体置于高温烧结炉中烧结，升温速率为6 ℃/min，烧结温度分别为1 475，1 500，1 525，1 550，1 575 ℃，保温时间为2 h，烧结完毕后样品随炉冷却至室温.

样品经加工后，采用排水法测定样品体积密度，数显维氏硬度计(430 SVD，沃伯特测试仪器(上海)有限公司)测定样品维氏硬度，采用XRD-Rigaku Ultima II型X射线衍射仪对试样进行物相组成分析，采用扫描电镜(JSM-5 610LV, QUANTA400)对其显微结构进行分析.

2 结果分析与讨论

2.1 烧结温度和Y2O3添加量对样品密度的影响

图1给出样品密度随烧结温度的变化情况.由图可见，样品的密度整体上随着烧结温度的增加而增加，但增加的幅度较小，其中添加质量分数为2% Y2O3样品的密度最低，介于4.2～4.3 g/cm3之间，与添加质量分数为4%～8 % Y2O3样品的密度相近，介于4.25～4.3 g/cm3之间，略高于同温度下烧结的添加质量分数为2% Y2O3样品的密度.以上分析表明，烧结温度和Y2O3添加量的增加对样品密度的增加虽有一定程度的影响，但影响的幅度较小.

图1 烧成温度对不同样品体积密度的影响

2.2 样品物相分析

2.2.1 烧结温度变化对样品物相的影响 图2和图3分别是添加质量分数为4% Y2O3和8% Y2O3的样品随烧结温度变化的XRD图谱.由图可以看出，对于添加质量分数为4% Y2O3的样品，样品的物相由ZrSiO4和稳定ZrO2(四方相或立方相)组成，主物相为ZrSiO4；稳定ZrO2物相衍射峰强度随烧结温度的升高变化并不明显.而对于添加质量分数为8% Y2O3的样品，其物相组成同样为ZrSiO4和稳定ZrO2，主要物相为ZrSiO4，其中1 575 ℃烧结样品的稳定ZrO2的峰强略高于其它两个温度烧结的样品.

图2 在不同温度下烧成的添加质量分数为4% Y2O3样品的XRD图

图3 在不同温度下烧成的添加质量分数为8% Y2O3样品的XRD图

2.2.2 Y2O3添加量变化对样品物相的影响 图4和图5分别是1 475 ℃和1 575 ℃烧结样品的XRD图谱.由图中可以明显看出，所有样品都由ZrSiO4和稳定ZrO2组成，主物相为ZrSiO4；对于1 475 ℃烧结的样品，其稳定ZrO2的峰强较弱，而且随着Y2O3添加量的增加，稳定ZrO2的峰强并无明显的变化；对于1 575 ℃烧结的样品，其稳定ZrO2的峰强随着Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加有利于促进ZrSiO4的分解.

以上分析表明，样品的物相均由ZrSiO4和稳定ZrO2组成，主物相为ZrSiO4；对于同一配比的样品，其稳定ZrO2的峰强随着烧结温度的增加基本保持不变，对于同一温度下烧结的不同配比的样品，其ZrO2的峰强随Y2O3添加量的增加而增加，Y2O3添加量的增加促进了ZrSiO4的分解和稳定ZrO2的生成.

图4 1 475 ℃烧结样品的XRD图谱

图5 1575 ℃烧结样品的XRD图谱

2.3 样品显微结构

图6是部分烧结样品的SEM图像.

由图中可以看出，对于1 475 ℃烧结的样品，添加质量分数4% Y2O3和8% Y2O3样品的结构均较为疏松，包含较多形状不规则的气孔，晶粒平均粒径约为4 μm，且较为均匀一致，结合图1可知，较多气孔的存在是样品密度较低的主要因素；而对于1 575 ℃烧结的样品，添加质量分数4% Y2O3和质量分数8% Y2O3样品的粒径未见明显长大，有较少量的气孔存在，与前者相比，样品的致密度有了较大幅度的提高；另外，由图1可知，1 575 ℃烧结的添加质量分数8% Y2O3样品的密度最大，除烧结温度较高这一因素外，还与该样品中较多稳定ZrO2的存在有关，因为稳定ZrO2的密度明显高于ZrSiO4材料的密度.气孔及稳定ZrO2的存在，是影响材料密度的重要因素.

(a:1 475 ℃烧结,质量分数4% Y2O3; b:1 475 ℃烧结,质量分数8% Y2O3;c:1 575 ℃烧结,质量分数4% Y2O3; d:1 575 ℃烧结,质量分数8% Y2O3)

2.4 烧结温度和Y2O3添加量对样品维氏硬度的影响

图7给出样品维氏硬度随Y2O3添加量和烧结温度的变化情况.由图可见，当烧结温度相同时，样品的硬度在Y2O3添加量为2%～6%范围内随着添加量的增加而增大，当添加量超过这一范围时，硬度减小，其中添加量在2%～4%范围内硬度增幅较大；当Y2O3添加量相同时，样品的硬度随着烧结温度的升高而增大.样品硬度从1 500 ℃到1 525 ℃有较大幅度的提高，最大增幅可达2.2 GP，其中添加6%Y2O3于1 575 ℃烧结的样品硬度最大，为11.0 GP.以上分析表明，烧结温度和Y2O3添加量对样品硬度均有较大影响，其中烧结温度较Y2O3添加量对样品硬度影响稍大.

图7 Y2O3添加量对不同样品维氏硬度的影响

3 结 语

a.烧结温度和Y2O3添加量的增加对样品密度的增加虽有一定程度的影响，样品的密度在4.2～4.4 g/cm3之间，变化的辐度较小.

b.样品的物相均由ZrSiO4和稳定ZrO2组成，Y2O3添加量的增加促进了ZrSiO4的分解和稳定ZrO2的生成.

c.低温烧结样品的结构较为疏松，包含较多形状不规则的气孔，晶粒平均粒径约为4 μm，随着烧结温度的增加，样品的晶粒粒径基本不变，但气孔数量大大减少，材料的致密度有了较大提高，气孔及稳定ZrO2的存在，是影响材料密度的重要因素.

d.随着Y2O3添加量的增加样品硬度先增大再减小，温度升高有助于硬度的提高，其中添加质量分数6%Y2O3于1 575 ℃烧结的样品硬度最大，可达11.0 GP.

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