倫文山 余乃驍 徐澤躍 陸麗芳

（江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興 214221）

0 引言

耐磨材料是新材料領(lǐng)域的核心，在全球新材料研究領(lǐng)域中，耐磨材料約占85%。隨著信息社會(huì)的到來(lái)，特種耐磨材料對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，是21世紀(jì)信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，成為世界各國(guó)新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

腐蝕、磨損和斷裂是材料失效的3種主要形式，其中由于摩擦導(dǎo)致磨損失效約占設(shè)備損壞的70%～80%，每年損失都在上千億美元。改善潤(rùn)滑、降低磨損可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)估計(jì)約占各國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值2%以上。各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，其研究思路可歸納為以下3個(gè)方面:(1)細(xì)化晶粒。提高材料結(jié)構(gòu)均勻性，包括提高材料致密度、降低材料缺陷等；(2)組分復(fù)合化。即通過(guò)添加各種第二相、顆粒(或晶須)形成復(fù)合材料；(3)相變?cè)鲰g。目前可供選用的工程陶瓷材料有氧化物陶瓷(如 Al2O3、ZrO2陶瓷)、氮化物陶瓷(如 Si3N4、Sialon材料)和碳化物陶瓷(如SiC)等。如何提高它們的耐磨性是整套設(shè)備延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵之一，也是取得最佳經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑。

二氧化鋯(ZrO2）陶瓷具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化、耐磨、熱膨脹系數(shù)大以及熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小等特性，因此決定了它是一種非常理想的高溫耐火材料、研磨材料和高溫隔熱材料。但是，二氧化鋯還具有馬氏體相變的特性，相變時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積變化，陶瓷產(chǎn)品易產(chǎn)生裂紋，其成本相比于氧化鋁也是較高。

本文主要研究如何將氧化鋯與氧化鋁復(fù)合，開(kāi)發(fā)出復(fù)合型ZrO2/Al2O3復(fù)相材料，既可以大幅度提高陶瓷材料的耐磨性能，降低單一氧化鋁陶瓷耐磨性不足的缺點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的作用。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)原料:氧化鋁（0.85μm），氧化鋯，八水合氧氯化鋯，六水合硝酸釔，氧化釔，氨水(25%)，聚乙二醇 400，去離子水，PVA溶液。

主要設(shè)備:TYE-1000型壓力試驗(yàn)機(jī)，KSF1600型燒結(jié)爐，顯氣孔體密測(cè)定儀，掃描電子顯微鏡和磨損試驗(yàn)機(jī)等。

1.2 試樣的制備

將ZrOCl2·8H2O晶體溶于去離子水按一定比例配成的溶劑中，配成一定濃度的氧氯化鋯溶液，然后加入3mol%的Y(NO3)3·6H2O晶體，待其溶解后加入適量的聚乙二醇400并攪拌約30min，記為A溶液；取適量的Al2O3溶于去離子水中配成一定濃度的漿液，記為B溶液；將A溶液加入到B溶液中，在攪拌的條件下，將一定濃度的氨水緩緩地加入到混合溶液中至沉淀完全；靜止陳化一段時(shí)間后過(guò)濾、洗滌至沉淀中無(wú)Cl-1存在，放入烘箱中于100℃下干燥，在1100℃下煅燒3h，制備得到復(fù)合粉體。在Φ130mm的模具中半干法機(jī)壓成型；成型后的試樣放入恒溫烘箱中100℃下進(jìn)行低溫烘干處理，在1600 ℃高溫下燒結(jié)，保溫時(shí)間均為3h。

1.3 性能表征

(1)采用顯氣孔體密測(cè)定儀對(duì)燒結(jié)后的試樣的體積密度表征。

(2)采用掃描電子顯微鏡SEM對(duì)燒結(jié)后的試樣進(jìn)行形貌分析。

(3)采用磨損試驗(yàn)機(jī)計(jì)對(duì)燒結(jié)后的試樣進(jìn)行耐磨系數(shù)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的體積密度分析

ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的體積密度以及吸水率如圖1所示，陶瓷材料的密度大小是影響其耐磨性主要因素之一，復(fù)相陶瓷結(jié)構(gòu)越致密，密度越大，其耐磨性相應(yīng)的就越好。由圖1中可知，隨著氧化鋯含量由3wt%提高到8wt%時(shí)，復(fù)相陶瓷的體積密度出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，吸水率相應(yīng)的呈下降的現(xiàn)象。當(dāng)氧化鋯含量＞8wt%時(shí)，其密度的變化趨勢(shì)趨于平緩，升高的幅度很小。氧化鋯的加入對(duì)氧化鋁起到抑制晶粒長(zhǎng)大的作用，使氧化鋁復(fù)相體系具有一定的細(xì)晶化，提高了材料的致密度。有此可知，氧化鋯的添加量為8 wt%時(shí)得到較為理想的體積密度。

圖1 氧化鋯含量對(duì)體積密度以及吸水率的影響

2.2 ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的耐磨系數(shù)分析

2.2.1 化學(xué)共沉淀法添加氧化鋯對(duì)復(fù)相陶瓷材料的耐磨性的影響

ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的體積密度以及吸水率如圖2所示，耐磨系數(shù)的大小直接決定材料的抗磨損特性。陶瓷材料的磨損系數(shù)越小，其抗磨損性能越好。由圖可知，隨著氧化鋯含量由3wt%升高到8wt%時(shí)，其磨損系數(shù)不斷減小，當(dāng)含量為8wt%時(shí)，磨損系數(shù)出現(xiàn)極小值，繼續(xù)增加氧化鋯的含量，其磨損系數(shù)的變化趨于平緩的狀態(tài)。通過(guò)該圖得到氧化鋯的添加量為8wt%較為合適。添加的氧化鋯作為第二相存在，由于在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生馬氏體相變，對(duì)復(fù)相體系起到相變?cè)鲰g的作用，使復(fù)合陶瓷的斷裂韌性有相應(yīng)的提高。

圖2 氧化鋯含量對(duì)耐磨系數(shù)的影響

2.2.2 直接添加氧化鋯對(duì)復(fù)相陶瓷材料的耐磨性的影響

圖3中1為不添加氧化鋯，2和3為選取氧化鋯含量為8wt%時(shí)，采用直接添加法和化學(xué)共沉淀法兩種方式加入氧化鋯，然后檢測(cè)其磨損系數(shù)的大小。

圖3 氧化鋯不同加入方式對(duì)耐磨系數(shù)的影響

由圖3可知，不加氧化鋯、直接加入氧化鋯和采用化學(xué)共沉淀法加入氧化鋯，對(duì)其磨損系數(shù)有較大的影響，不加氧化鋯和直接加入氧化鋯得到的磨損系數(shù)明顯大于化學(xué)共沉淀加入氧化鋯得到的磨損系數(shù)，造成原因是氧化鋯本身易團(tuán)聚，直接加入氧化鋯后其在氧化鋁中很難均勻地分散，使得氧化鋯團(tuán)聚體較多，對(duì)其耐磨性及其他力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響?；瘜W(xué)共沉淀法得到的結(jié)果較為理想，氫氧化鋯沉淀溶液和氧化鋁溶液混合陳化時(shí)能使氫氧化鋯很好地附著在氧化鋁表面，在煅燒時(shí)得到的氧化鋯也能很好地分散且能完全包裹在氧化鋁表面，相對(duì)的其耐磨性得到大幅度地提高。

2.3 ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的斷口形貌分析

選取氧化鋯含量為8wt%時(shí)的復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行斷口的SEM分析試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖4所示，圖中顯示的是3張不同倍數(shù)的SEM圖片，通過(guò)X3000和X5000的圖片可以看出，斷口結(jié)構(gòu)中晶粒間基本沒(méi)有縫隙，晶粒和晶粒間緊密地粘合在一起，說(shuō)明該復(fù)相陶瓷材料在1600℃時(shí)能很好地完成燒結(jié)。通過(guò)圖中結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，白色的物質(zhì)可能是氧化鋯團(tuán)聚體，氧化鋁結(jié)構(gòu)中還是存在部分氧化鋯團(tuán)聚體，氧化鋯沒(méi)有完全地分散在氧化鋁中。造成的原因可能是1100℃煅燒后的粉體在濕磨的過(guò)程中產(chǎn)生了少部分的團(tuán)聚顆粒。

圖4 ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷的斷口形貌分析

3 結(jié) 論

本文主要采用了化學(xué)共沉淀法制備ZrO2/Al2O3復(fù)相陶瓷材料，通過(guò)對(duì)其耐磨性以及微觀結(jié)構(gòu)分析，所得結(jié)論如下:

（1）通過(guò)體積密度以及磨損系數(shù)的表征發(fā)現(xiàn)，以共沉淀法加入適量的氧化鋯能大幅度提高制備的陶瓷材料的耐磨性。

（2）通過(guò)對(duì)復(fù)相陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的研究，該復(fù)相陶瓷材料在1600℃、保溫3h的情況下能完全燒結(jié)，晶粒間無(wú)縫隙，能很好地緊密粘合在一起。

[1]蔣俊.氧化鋁基復(fù)相陶瓷的制備、結(jié)構(gòu)與性能的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué).2002:1-54.

[2]周永貴.氧化鋯陶瓷的制備工藝和力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.2005:1-44.

[3]饒平根,吳建青,葉建東,等.添加氧化鋯對(duì)氧化鋁陶瓷的性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程.2006,29(2):13-16.

[4]姚義俊,丘泰,焦寶祥,等.Y2O3、La2O3、Sm2O3對(duì)氧化鋁瓷燒結(jié)及力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào).2005,23(2):158-161.

[5]郭瑞松,郭多力,齊海濤,等.添加稀土氧化物對(duì)氧化鋁復(fù)相陶瓷性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報(bào).2002,30(1):112-116.

[6]呂彩霞.氧化鋯晶化過(guò)程的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院院.2010:1-53.

[7]張敬強(qiáng),榮守范,宋曉剛,等.稀土氧化物對(duì)氧化鋁復(fù)相陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào).2006,24(1):16-18.