复合掺杂剂稳定细晶氧化锆粉体的制备及其制品耐腐蚀性能的研究

摘要

氧化锆陶瓷作为一种结构材料广泛地应用在工程领域，但由于相稳定机理复杂，工艺参数难以控制，使氧化锆材料在高温和腐蚀环境下相变增韧效应往往失效，比如水热环境下的低温老化、晶界腐蚀等限制了氧化锆材料在某些工程领域的应用，关于掺杂氧化锆腐蚀行为的报道在国内还比较少。 四方多晶氧化锆陶瓷是目前研究比较多的材料，其中以3Y-TZP的综合机械性能最优，但是在腐蚀环境下，3Y-TZP并不具有最好的强度，其性能随腐蚀时间的延长而降低。通过添加CeO<,2>/Y<,2>O<,3>复合稳定剂可以改善单一Y<,2>O<,3>稳定氧化锆陶瓷在腐蚀环境下的力学性能；同时制定合理的烧结曲线获得致密的基体，尤其是表面，可以阻止腐蚀反应由表面深入到基体内部。因此粉末的制备和烧结以及对氧化锆陶瓷的腐蚀机理的认识显得非常重要。 目前，国内工业化生产的氧化锆粉体存在几个缺点：烧结活性低，烧结温度高且晶粒粗大。针对这些问题，本课题通过共沉淀法制备出细晶氧化锆粉体，认为在pH=9.5，煅烧温度>500℃，中速滴定的条件下可以获得晶粒尺寸为45～90nm，一次颗粒d<,50>为0.36um，比表面积为33m<'-2>·g<'-1>的细超细粉体。氧化锆前驱体结构对煅烧后粉体的晶型和相成分有决定作用，在pH低的条件下H<,2>O和OH<'->共同主导配位体的结构，在pH高的条件下OH<'->更容易进入晶格，形成完全由OH<'->配位的前驱体结构。基于量子化学的结构优化对试验中的假设及测试分析的结果进行理论论证，认为[Zr(OH)<,5>-O-Zr(OH)<,5>]<'4->在溶液中的能量最低，其配位键长更接近四方氧化锆的Zr-O键长。 1550℃烧结用细晶3Y-IZP粉体制备的试样，获得室温下最高抗弯强度为725±20MPa，最高断裂韧性为7.13MPa·m<'1/2>，相变增韧机制的充分发挥是基体获得优异力学性能的原因。试样在碱溶液中的腐蚀受控于水热反应，稳定剂离子的水化是腐蚀开始的必要条件。碱腐蚀后试样表面的稳定剂离子的数量并没有改变，相变是由于OH<'->进入氧空位导致氧空位浓度的减少。在酸溶液中，相变是因为稳定剂离子被溶出导致基体中稳定剂的减少。试验证明添加CeO<,2>有利于提高Y<,2>O<,3>-ZrO<,2>陶瓷的耐腐蚀性能，通过表面元素以及相组成分析可得添加CeO<,2>以后的Y<,2>O<,3>-ZrO<,2>陶瓷在腐蚀之后具有更稳定的四方相。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1ZrO2的晶体结构及性能

1.1.1 ZrO2晶型及相变的特点

1.1.2 ZrO2的稳定化机理

1.2ZrO2的增韧机制

1.2.1应力诱导相变增韧

1.2.2微裂纹增韧

1.2.3表面强韧化

1.2.4多种机理的共同作用

1.3 ZrO2的应用

1.3.1结构陶瓷领域的应用

1.3.2功能陶瓷及其它领域的应用

1.4掺杂ZrO2陶瓷的腐蚀

1.4.1掺杂ZrO2陶瓷的腐蚀现象

1.4.2 ZrO2陶瓷的腐蚀机理

1.4.3提高ZrO2陶瓷耐腐蚀的途径

1.5 ZrO2超细粉末的制备

1.5.1超细ZrO2粉体制备工艺汇总

1.5.2共沉淀法制备ZrO2粉体

1.6ZrO2的烧结

1.6.1纳米粉末烧结理论

1.6.2晶粒生长

1.7研究意义及内容

第二章细晶TZP粉体的制备与表征

2.1前言

2.2制备原理

2.3实验原料

2.4实验仪器设备

2.5实验步骤

2.6表征方法

2.7实验结果与分析

2.7.1 pH对粉末相成分与显微结构的影响

2.7.2煅烧温度对ZrO2粉体晶型与相成分的影响

2.7.3稳定剂及其数量对ZrO2粉体晶型的影响

2.7.4腐蚀条件对ZrO2粉体的晶型影响

2.8本章小节

第三章细晶ZrO2粉体的量子理论研究

3.1假设的建立

3.2计算结果处理

3.3关于软件的一些说明

3.4 ZrO2单体结构的建立和优化

3.4.1不同pH下的结构设计

3.4.2结果分析与讨论

3.5 ZrO2配合物振动光谱的分析

3.6氧化锆纳米晶粒生长活化能的计算

3.7本章小节

第四章TZP陶瓷材料的制备及其耐腐蚀性的研究

4.1实验流程

4.2实验原料

4.3制备工艺

4.4烧结体性能的测试

4.4.1烧结体密度的测定

4.4.2力学性能的测试

4.4.3烧结体显微结构的观察与分析

4.5实验设计与数据分析

4.6结果与讨论

4.6.1温度对烧结体致密度及晶粒尺寸的影响

4.6.2烧结温度对Y系ZrO2的力学性能的影响

4.6.3掺杂剂数量对Y系ZrO2的力学性能的影响

4.6.4腐蚀条件下Y2O3-ZrO2陶瓷的力学性能

4.7本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见