孫春陽(yáng) 羅志安 黃 奧 張美杰 顧華志

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 武漢 430081)

氧化釔穩(wěn)定的四方多晶氧化鋯陶瓷(3Y-TZP)具有較高抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性以及耐磨損耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于陶瓷軸承、光纖插芯、電子器件、生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域[1～2]。然而，3Y-TZP材料除了具有陶瓷固有脆性之外，還有高溫相變?cè)鲰g失效、低溫老化和抗熱震性差等缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)3Y-TZP的弱點(diǎn)利用高強(qiáng)度高模量的晶須、顆粒、纖維來(lái)制備3Y-TZP復(fù)合陶瓷[3～7]。這些一維或者零維材料的引入對(duì)氧化鋯都有一定的強(qiáng)韌作用。

鱗片石墨(FG)為天然顯晶質(zhì)石墨，其形似魚(yú)磷狀，屬六方晶系，呈層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)滑、可塑及耐酸堿等性能。是一種層狀結(jié)構(gòu)的天然固體潤(rùn)滑劑，其資源豐富且價(jià)格便宜。鱗片石墨[8～12]與碳納米管和陶瓷晶須等這些傳統(tǒng)的增韌相比較，一方面取材廣泛，成本低廉；另一方面經(jīng)過(guò)二次工藝浮選處理后，鱗片石墨會(huì)變薄變細(xì)，對(duì)于提高材料綜合性能具有巨大潛力。

筆者以含氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉末作為基體材料，通過(guò)引入鱗片石墨，球磨之后再經(jīng)過(guò)二次工藝浮選不同時(shí)間的處理，在氬氣氣氛下常壓燒結(jié)制備出鱗片石墨/氧化鋯(FG/3Y-TZP)復(fù)合陶瓷，并研究不同浮選時(shí)間對(duì)復(fù)合材料的增韌效果、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所用原料主要參數(shù)如表1所示。

表1 原料的參數(shù)Tab.1 Parameters of raw materials

本實(shí)驗(yàn)引入鱗片石墨(FG)含量0%，0.5%，1%，1.5%，2%。首先FG以十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為分散劑超聲1 h，然后加入一定比例3Y-TZP繼續(xù)超聲20 min，將所得漿液以轉(zhuǎn)速為300 r/min球磨6 h(QM-3SP2，南京)，然后100 ℃干燥處理得到復(fù)合粉體，分別在磁子攪拌器上面攪拌(30 r/min)二次浮選處理，時(shí)間分別為4 h、6 h，最后在100 ℃再次干燥，再研磨、過(guò)篩得到復(fù)合粉體；將得到的粉體在75 MPa的壓力下壓制成70 mm×25 mm×10 mm的塊體，在Ar氣氛下經(jīng)過(guò)1 650 ℃×3 h燒結(jié)得到FG/3Y-TZP復(fù)合陶瓷。

采用阿基米德排水法測(cè)量復(fù)合陶瓷的致密度；MTS Exceed E43電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，利用XRD(XRD，X'pert Pro，荷蘭PANalytical)進(jìn)行物相分析，采用掃描電子顯微鏡(SEM，Nova 400 NanoSEM，美國(guó)FEI)對(duì)復(fù)合陶瓷進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 FG/3Y-TZP物相組成

圖1為1 650 ℃燒結(jié)的不同含量、浮選不同時(shí)間FG/3Y-TZP復(fù)合陶瓷的XRD圖譜。從圖1中可以看出，F(xiàn)G含量和浮選時(shí)間發(fā)生變化，但樣品物相沒(méi)有發(fā)生明顯轉(zhuǎn)化。樣品仍然主要為四方相，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)二次工藝浮選處理后FG的引入沒(méi)有影響3Y-TZP物相的穩(wěn)定性。

圖1 不同含量的FG/3Y-TZP的XRD圖譜Fig.1 XRD atlas of FG/3Y-TZP with different contents

2.2 浮選和高溫?zé)Y(jié)對(duì)樣品微觀形貌的影響

圖2為1.5%FG/3Y-TZP球磨后粉體進(jìn)行二次工藝分別浮選處理4 h、6 h的SEM照片。從圖2中可以看出，浮選6 h處理的鱗片石墨尺寸較處理4 h的小些，并且浮選2個(gè)時(shí)間段都比不浮選的原材料鱗片石墨尺寸(原料尺寸為45 μm)進(jìn)一步變細(xì)，這說(shuō)明在一定時(shí)間內(nèi)，磁子攪拌器產(chǎn)生的水流剪切力的確發(fā)揮了作用，使得氧化鋯表面包裹的鱗片石墨在剪切力的“打磨”下變薄變細(xì)，形成了類似石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)，具有類似石墨烯在力學(xué)和熱學(xué)等優(yōu)異的性能[13～16]，從而使FG/3Y-TZP復(fù)合陶瓷機(jī)械性能大幅度提升。

圖2 1.5%FG/3Y-TZP分別浮選4 h、6 h SEM照片F(xiàn)ig.2 1.5%FG/3Y-TZP flotation of 4 h,6 h SEM photos

圖3為1.5%FG/3Y-TZP分別浮選4 h、6 h并在1 650 ℃燒結(jié)后的SEM圖片。

圖3 1.5%FG/3Y-TZP分別浮選4 h、6 h后1 650 ℃燒結(jié)后斷口SEM照片(從左到右)

Fig.3 SEM photographs of fracture surface after being sintered at 1 650 ℃ for 6 h after flotation for 4 h by 1.5% FG/3Y-TZP: from left to right

由圖3可以看出，F(xiàn)G沿晶界均勻的分布于3Y-TZP陶瓷中(如圖3中a、b箭頭所示)，晶界處的FG牢牢釘扎于3Y-TZP陶瓷晶粒之間；從斷面可以看出斷裂形式為穿晶裂、沿晶斷裂的混合體，其中穿晶斷裂占主導(dǎo)地位；陶瓷一般以沿晶斷裂為主，出現(xiàn)晶斷裂主要因?yàn)镕G二次工藝浮選處理后的片層變薄變細(xì)(見(jiàn)圖3c、3d)，即晶粒細(xì)化增加了晶界面積，從而抑制了晶界的移動(dòng)。其中3c、3d分別為浮選4 h、6 h，明顯看出6 h的鱗片石墨SEM更薄更細(xì)，尺寸均在10 μm以內(nèi)，這主要得益于浮選中水流的剪切力會(huì)在持續(xù)“打磨”鱗片石墨表面的同時(shí)，也在“修飾”邊角，在一定浮選時(shí)間內(nèi)，浮選越久，觀察到的細(xì)小晶粒會(huì)越多，從而使得浮選6 h的綜合性能在相同條件下優(yōu)于浮選4 h處理的FG/3Y-TZP陶瓷材料。

2.3 FG/3Y-TZP的致密度及機(jī)械性能的影響

圖4為不同含量FG/3Y-TZP分別浮選4 h、6 h后經(jīng)過(guò)1 650 ℃燒結(jié)，測(cè)試的致密度以及機(jī)械性能。從浮選4 h、6 h的4(a)和4(b)致密度曲線走勢(shì)可以看出來(lái)二者均先增加后降低，當(dāng)FG含量在1%，致密度分別為93.1%、94.3%。主要原因是適量的FG使致密度提高，而浮選時(shí)間的差異影響不大，主要得益于FG是層片狀結(jié)構(gòu)而容易發(fā)生自潤(rùn)滑[17]。再加上FG高的熱導(dǎo)率在燒結(jié)過(guò)程中有利于焦耳熱的傳遞，促進(jìn)顆粒間的傳質(zhì)；而致密度的降低是因?yàn)镕G具有高的比表面積在含量高的容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使得晶界處存在裂縫和空隙。

FG/3Y-TZP陶瓷材料斷裂韌性隨FG含量和二次工藝浮選時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

(a) (b)

圖4不同含量FG/3Y-TZP分別浮選4 h、6 h后經(jīng)過(guò)1 650 ℃燒結(jié)后致密度及力學(xué)性能

Fig. 4 Density and mechanical properties of FG/3Y-TZP were sintered at 1 650 ℃ for 6 h after flotation for 4 h, respectively

由圖4(a)和4(b)力學(xué)性能曲線可以看出，純3Y-TZP斷裂韌性為13 MPa·m1/2，隨著FG含量和浮選時(shí)間的不同，曲線呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，并且在FG含量為1.5%時(shí)達(dá)到極值，浮選4 h、6 h極值分別為24 MPa·m1/2、28 MPa·m1/2，增加幅度分別為100%、110%。在圖4(a)、4(b)力學(xué)性能曲線中，在達(dá)到極值前出現(xiàn)了拐點(diǎn)，這主要原因是對(duì)于FG在1%含量時(shí)，無(wú)論浮選時(shí)間長(zhǎng)短，它都起到了雜質(zhì)相的作用，破壞了基體本身的晶型結(jié)構(gòu)，從而使斷裂韌性曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

由圖5可以看出，理論上陶瓷材料斷裂曲線為達(dá)到峰值會(huì)突然下落，但是對(duì)比有浮選工藝處理4 h、6 h后的斷裂曲線可以看出，卻是起到了增韌作用，并且浮選時(shí)間久的，斷裂性能越好。通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展的研究和斷面口的觀察，發(fā)現(xiàn)斷口有許多細(xì)小的片層拔出，類似于石墨烯的橋聯(lián)原理。這得益于二次工藝浮選的作用，一方面使得鱗片石墨表面變得更?。涣硗庖彩菍訝罱Y(jié)構(gòu)的邊角處“打磨”的更細(xì)小。鱗片石墨本身的拉伸強(qiáng)度比其他增韌材料要大，導(dǎo)致復(fù)合材料的斷裂韌性的增強(qiáng)。再者由于FG在基體晶粒的固定和包裹下，形成了一個(gè)沿著晶界連續(xù)的“墻”，從而阻止了裂紋的進(jìn)一步延伸，有利于在較小區(qū)域內(nèi)充分消耗斷裂能。然而，隨著FG含量的繼續(xù)增多，即使存在一定時(shí)間的浮選，也會(huì)出現(xiàn)斷裂韌性的急劇回落。這可能是由于浮選使晶粒變得更細(xì)、更薄和片層狀的拔出效應(yīng)都可以提高韌性，但由于復(fù)合陶瓷氣孔率的提升，導(dǎo)致整體斷裂韌性的下降。

圖5 FG1.5%的力學(xué)性能曲線Fig.5 Shows the mechanical properties curve of FG 1.5%

1)在一定時(shí)間內(nèi)，二次工藝浮選處理球磨后的FG/3Y-TZP復(fù)合粉體時(shí)間越久，對(duì)斷裂韌性的效果越顯著，對(duì)致密度影響不大；考慮到實(shí)際的時(shí)間成本和理論知識(shí)，浮選時(shí)間太久也不是最優(yōu)的，因?yàn)橐环矫嬗绊憣?shí)際生產(chǎn)；另外如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使鱗片石墨包裹氧化鋯復(fù)合粉體之間的靜電結(jié)合力失去作用，從而使二者分離，起不到復(fù)合的效果。

2)經(jīng)過(guò)二次工藝浮選之后在常壓氬氣氣氛高溫?zé)Y(jié)，鱗片石墨仍然保持原有的片層狀結(jié)構(gòu)，其具有較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性；復(fù)合斷口處有明顯的片層拔出，說(shuō)明基體與鱗片石墨之間形成了適中的界面結(jié)合強(qiáng)度。

3) 隨著復(fù)合陶瓷中鱗片石墨含量和浮選時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料韌性明顯增加，當(dāng)FG含量為1.5%、浮選時(shí)間為6 h時(shí)，復(fù)合陶瓷材料斷裂韌性達(dá)到極值28 MPa·m1/2，增加幅度為110%；但是當(dāng)含量繼續(xù)增加時(shí)(浮選時(shí)間不變)，復(fù)合材料的孔隙率也相應(yīng)增多，使得斷裂韌性急劇回落，材料綜合性能變惡化。