MnZn铁氧体承烧板性能的比较

宋先刚 彭文 陈平基

摘 要：部分稳定氧化锆材料（PSZ）以其优良的高温化学稳定性和抗热震性而成为MnZn铁氧体承烧板的首选材料。PSZ材料在1100℃以上反复使用会发生反稳定化现象。本文对比了钙稳定氧化锆（Ca-PSZ）和钇稳定氧化锆（Y-PSZ）反稳定化现象，及反稳定化现象对材料物理性能的影响。结果表明：Y-PSZ晶相更为稳定，性能也更为稳定，更适合用于MnZn铁氧体的承烧。

关键词：部分稳定氧化锆；反稳定化；锰锌铁氧体

1 引言

氧化锆陶瓷具有较好的高温化学稳定性，近几十年来受到广泛的开发和应用。纯ZrO2不能直接作为结构陶瓷使用，原因在于1000℃以上ZrO2会发生单斜相（m-ZrO2）和四方相（t-ZrO2）之间的可逆转变，该转变伴随约7%体积变化，当体积变化产生的应力超过材料的弹性极限时，会引发材料的破坏。

上世纪70年代以来，研究者发现ZrO2晶体的变化是可以被控制的，他们将一些半径与Zr4+离子半径相近的金属氧化物，如：MgO、CaO、Y2O3等掺入ZrO2中，在一定条件下形成固溶体，这种固溶体中便不会再发生单斜相与四方相之间的可逆转变，抑制了因相变带来的体积变化，降低了开裂的可能性。部分稳定氧化锆（PSZ）材料因其优良的高温化学稳定性和抗热震性而成为MnZn铁氧体承烧板的首选材料之一。

2 用于MnZn铁氧体烧制的承烧板的特性

MnZn铁氧体通常置于承烧板上面烧制，目前用于MnZn铁氧体烧制的承烧板按照材料大致可以分为三类：氧化铝类、氧化锆类、MnZn铁氧体同体材料。对承烧板的性能要求大致有以下几个方面。

（1） 承烧板应具有高温下的化学稳定性

承烧板应具有高温下的化学稳定性，与被烧结体不发生高温反应，不影响铁氧体的性能。笔者曾经使用氧化铝板、Ca-PSZ板、Y-PSZ板和MnZn材料同体板分别承烧MnZn铁氧体。结果表明，使用氧化铝板承烧的铁氧体表面出现少量晶斑，且该铁氧体磁导率损失严重，不同材料承烧板对所承烧磁芯磁导率的影响不同，如图1所示。

从图1中可以看出，使用氧化铝质承烧板对铁氧体磁导率影响较大，损失严重。实验表明，使用氧化铝板承烧的铁氧体表面出现少量晶斑；其他三种承烧板对铁氧体磁导率影响不大。因此，烧制高品质的铁氧体材料不能使用氧化铝质承烧板。

（2） 承烧板应该具有良好的抗热震性能

一般情况下承烧板的抗热震性会严重影响其使用寿命，所以铁氧体生产者和承烧板供应者都十分关心承烧板的抗热震性能。材料的抗热震性与材料的强度、热导率、膨胀系数等有关。笔者分别对Ca-PSZ材料的承烧板、Y-PSZ材料的承烧板和铁氧体同体材料承烧板进行了抗热震性测试。测试方法参照标准（YB/T 376.1-1995）为：将炉温升高到1100℃，然后将试样放入炉中，保温20min，取出投入室温的水中，观察试样是否开裂，实验结果见表1。

由表1可知，抗热震性最好的材料是Y-PSZ，铁氧体同体材料抗热震性最差，基本上属于一次性材料。PSZ承烧板的抗热震性和氧化锆的反稳定化密切相关。

3 Ca-PSZ和Y-PSZ反稳定化现象的比较

（1） 氧化锆的稳定化和反稳定

ZrO2有三种晶体结构，单斜相（常温稳定型，密度5.68g/cm3）、四方相（密度6.1g/cm3）、立方相（密度6.27g/cm3）。三种晶型可以相互转变，转变温度与杂质含量有关，在ZrO2纯度高时，三种晶型能发生以下同质异晶转变：

单斜相和四方相之间的相变是马氏体相变，转变异常迅速，同时伴随约7%的体积效应，热缩、冷胀。为了使四方相在室温下能稳定存在，最常用的方法是加入一些稳定化组份（如：CaO、MgO、Y2O3等）。这些稳定组份与氧化锆形成固溶体，形成固溶体之后会降低相变温度（即MS温度）。晶体只有排除了外来质点之后才能实现自身晶型转变，而排除外来质点是需要消耗能量的，因此稳定化组份可以起到稳定晶型的作用。

四方相的稳定存在是保持PSZ陶瓷强度、韧性的关键，而长期处于MnZn铁氧体烧制温度下（最高约1400℃）的锆板会发生反稳定化现象，即出现大量四方相→单斜相转变，反稳定化的结果会造成陶瓷性能的明显衰退。

（2） 两种不同稳定剂的PSZ反稳定化实验

选取Ca-PSZ承烧板和Y-PSZ承烧板在1400℃下分别保温40h、100h、200h，冷却至室温，然后测试其抗折强度及气孔率，结果见表2。

从表2中可以看出，Ca-PSZ材料的总体抗折强度低于Y-PSZ材料，而且随热处理时间的延长抗折强度降低速度较快，气孔率增长速率较快。说明Ca-PSZ材料在热处理过程中损坏的速度高于Y-PSZ材料。取不同热处理时间的两种材料做XRD分析，结果见图2、图3。

从图2、图3中可以看出，经热处理后Ca-PSZ材料的单斜锆含量远远高于Y-PSZ材料，受热时单斜锆会发生晶型转变，同时伴随体积效应，在材料中产生一定量的微裂纹，使得材料的抗折强度下降，开口气孔率上升。

4 结论

（1） 抗热震性最好的材料是Y-PSZ，铁氧体同体材料抗热震性最差。

（2） 目前，在MnZn铁氧体承烧时，使用Y-PSZ材料的承烧板最为合适。在高温下与铁氧体反应最少，有利于保持铁氧体的磁导率，而且长时间使用可以保持其物理性能，不易开裂、变形等。

（3） Ca-PSZ材料经热处理后单斜锆含量高于Y-PSZ材料，这会造成材料性能下降。

参考文献

[1] 尹衍升，李嘉.氧化锆陶瓷及其复合材料[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] R.H.J.Hannink et al.，In Advancl in Ceram.Vol.3[J].Sciencl and Technology of Zirconia，1981.