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简述氧化锆晶型及其稳定化处理
2017-06-16 17:27:09 作者:本网整理 来源:网络

  对于陶瓷材料而言,其晶型结构与其物化性质及应用有着很大关系。因此,本文将为大家简单剖析氧化锆的晶型结构。

 

  1氧化锆晶型有三种

 

  纯的氧化锆在常压下有三种晶型:从低温到高温依次为单斜、四方和立方。其密度分别为:单斜型5.65g/cm3,四方型6.10g/cm3,立方型6.27g/cm3。具体温度、密度与晶型的关系见下图1。可见温度越高,密度越大。因此,在同样质量下,温度越低,体积越大。

1.jpg

  图1氧化锆晶型及转换温度与相应密度

 

  下图为氧化锆的三种晶型图示,从左到右分别是:a立方晶;b四方晶;c单斜晶。具体晶格常数详见本文下方备注参考文献。

2.jpg

  图2 氧化锆的三种晶型及相应的空间群

 

  2氧化锆的稳定化处理

 

  当ZrO2从高温冷却到室温要经历c→t→m的同质异构转变,其中由t-m相变过程要产生约7%的体积膨胀,加热至1170℃时m-ZrO2转变为t-ZrO2,这种转变过程则发生体积收缩,这种t相和m相之间的相变称为ZrO2的马氏体相变,马氏体相变时发生的体积变化,使得ZrO2的增韧效果得以实现。

 

  氧化锆的热膨胀曲线及差热曲线见下图3所示。

 

3.jpg

  图3 ZrO2的热膨胀曲线及ZrO2的差热曲线

 

  在正常压力温度之下,二氧化锆的稳定晶体为单斜晶体,而ZrO2由单斜相向四方相的晶型的转变有7%-9%的体积变化,所以未经稳定化处理的ZrO2粉就无法制得稳定性好的陶瓷制品。

 

  因此通常需要对ZrO2粉进行稳定化以制备韧性更好的氧化锆陶瓷制品,所谓稳定化处理,就是在 ZrO2中加入Y2+、Ca2+、Mg2+、Ce4+等离子半径与Zr4+离子半径相差小于12%的阳离子(通常以相应的氧化物形式加入)。这些阳离子可以置换锆离子形成置换固溶体,从而阻止晶型的转变。稳定剂加入量见下表1

 

图片6.png

 

  稳定剂可以单独加入,也可以混合加入。工艺可以采用电熔合成法、高温烧结合成法或其它方法。

 

  3 ZTC陶瓷的三种典型组织

 

  ZTC 是 Zirconia Toughening Ceramics(氧化锆增韧陶瓷)的缩写。ZTC陶瓷有三种典型组织:

 

  ①c-ZrO2相基体上弥散分布着t-ZrO2的双组织,即部分稳定氧化锆(PSZ);②细小的晶粒完全是t-ZrO2相,即TZP;③t-ZrO2相作为增韧相分散到其它陶瓷基体,如ZTA。

 

  其中TZP是ZTC材料中室温力学性能最高的一种材料,其力学性能见下表2所述。TZP中又以Y2O3作为稳定剂的Y-TZP应用最为广泛。稳定剂Y2O3的含量在1.75%-3.5% (摩尔分数)范围变化。

 

图片7.png

 

  典型的TZP材料微观结构为粒径为0.5-2μm的等轴晶组成的均匀组织。当原料中含有异类组分(SiO2)时,在界面上往往存在由异类组分和Y2O3组成的玻璃相。

 

  参考资料

 

  1、先进结构陶瓷及其复合材料,尹衍升等著

 

  2、ZrO2陶瓷结构及增韧机理研究,武丽华等著

 

  备注

 

  马氏体定义:马氏体是原子经无需扩散的集体协同位移的晶格改组过程,得到的具有严格晶体学关系和惯习面的,形成相中伴生极高密度位错,或层错或精细孪晶等晶体缺陷的整合组织。

 

  马氏体相变:原子经无需扩散的集体协同位移,晶型晶格改组,得到高密度位错等亚结构的马氏体组织,这种形核-长大的一级相变,成为马氏体相变。

 

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