《武汉工程大学学报》 2011年08期
90-94
出版日期：2011-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
硅酸锆陶瓷的制备与表征
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［12］，广泛用于耐火材料和锆基材料［34］.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［78］，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［912］，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
Table 1Formulas of specimens
Y2O3摩尔分数ZrSiO4? w/%Y2O3 w/%2%97.52.54%95.14.96%92.77.38%90.39.7 (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 YP24 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XRDRigaku 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(JSM5 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
Fig.1Effect of temperature on the bulk density
of the different samples2.2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.
第8期王广芹，等：硅酸锆陶瓷的制备与表征
武汉工程大学学报第33卷
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
Fig.2XRD patterns of samples including
4%Y2O3 sintering at different temperature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
Fig.3XRD patterns of samples including
8%Y2O3 sintering at different temperature2.2.2Y2O3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41 475 ℃烧结样品的XRD图谱
Fig.4XRD patterns of samples sintering at 1 475 ℃图51575 ℃烧结样品的XRD图谱
Fig.5XRD patterns of samples sintering at 1 575 ℃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)
图6样品的SEM图像
Fig.6TEM photographs of the samples
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22 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7Y2O3添加量对不同样品维氏硬度的影响
Fig.7Effect of Y2O3 content on the Vickers
hardness of the different samples3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.