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烧结条件对磷酸盐陶瓷Ca_(1-x)Ba_xZr_4(PO_4)_6热膨

时间:2017-6-12 8:48:00   来源:本网   添加人:admin

  NaZr2(P4)3的结构由L0Hagman和P.Kierkegaard等人研究并确定为由P4四面体和ZrO八面体以共顶点方式连接构成的一个具有空洞、弛豫而稳定的三维网络,结构中的阳离子可以被多种离子取代,衍生出一系列等结构的衍生物,统称为族化合物。以型化合物为粉料制备的NZP族材因其具有低热膨胀特性和热膨胀系数的可栽剪性而受到广泛的研究,通过化学组成的选择和调整,可以得到具有零膨胀特性的材料,这种类型的NZP材料具有较好的耐热冲击性,因而具有更高的应用价值,在催化剂载体、汽车发动机元件、小型换热器以及航天技术中作为涂层方面都有良好的应用前景。

  本研究采用化学共沉淀法合成了NZP型二元固溶体CanBaxZr4(P04)6(:c=0、0. 25、0.5、0.75、1.0)系列的粉体,并添加不同的烧结助剂,进一步制备出CBZP系列陶瓷,测定了201000X:的平均线膨胀系数,着重研究了不同烧结助剂对CBZP陶瓷热膨胀特性的影响。

  可见,同一组成的CBZP坯体,添加ZnO和MgO烧结得到的陶瓷,热膨胀系数不同,以ZnO为烧结助剂时,除:r= 0.75的组成在20100CTC的平均线膨胀系数略大于2X1(T6/°C外,其余4个组成的平均线膨胀系数均小于2X1(T6/°C,为低热膨胀材料,这是因为ZnO在促进致密化的同时也促进晶粒长大,产生更多的微裂纹,因而降低了热膨胀系数。

  这一结果说明,ZnO在促进致密化时,也极大地促进了晶粒的生长,如果在添加ZnO的同时,加人晶粒生长抑制剂(如活性Si02),可望在获得低热膨胀材料的同时,减少微裂纹,提篼材料的耐热冲击性。

  3.2烧结温度对CBZP陶瓷热膨胀性能的影响将添加3%ZnO为助剂的素坯在120CTC烧结2h,得到CBZP陶瓷,用相同的方法测定20KKKTC的平均线膨胀系数,并与同样添加剂时于1100°C烧结2h的该系列陶瓷的平均线膨胀系数比较,结果如表2所示。

  表2不同烧结温度下得到的CBZP系列陶瓷的平均线膨胀系数而添加MgO时,热膨胀系数明显升篼,20100CTC的平均线膨胀系数均大于2X1(TV°C(x=0的组成除外),为中热膨胀材料,该系列的热膨胀系数升篼是由于烧结过程中产生了第二相所致,这一点可以从MgO促进致密化的机理得到解释,即MgO与CBZP中的PO广结合生成低熔点的Mg3(P04)2(熔点约为1186°C),在1300X:烧结时,由于超过了Mg3(P04)2的熔点导致液相产生促进了致密化,因而在烧结体中存在第二相。

  由表2结果可见,在相同的添加剂下,改变烧结温度对CBZP系列陶瓷的热膨胀系数的大小没有明显的影响,(a)示出了x=0.75的组成在1200°C下烧成的样品的显微结构,与(a)对比可见,这两个温度下烧成的样品,其晶粒大小较为接近,热膨胀曲线上显示出滞后环的大小也很相近,见(b)和(a),因此可以认为粒径对热膨胀系数有一定的影响,同一添加剂在促进晶粒生长的程度和机理上是一致的,得到的制品其热膨胀系数也较为接近。

  由图可见,添加ZnO的制品有很大的滞后环,说明材料内部可能存在较多微裂纹,因而热膨胀系数很低,该样品的显微结构显示出晶粒粒径较大(见a)。添加MgO时,虽然热膨胀系数有所上升,但热膨胀曲线上的滞后环较添加ZnO时小得多,说明微裂纹很少,从样品的显微结构可见均匀的小晶粒结构3.3烧结时间对热膨胀特性的影响将x= 0和:c=0.5的组成添加3%Mg,在1300°C下分别烧结30min和120min,用相同的方法测定这两个组成在不同烧结时间下制得的陶瓷样品的平均线膨胀系数,结果见表3.组成烧结时间min平均线膨胀系数aXl6/.7―0.8由表中数据可见,对相同的添加剂,在30min和120min内烧结得到的CBZP陶瓷的热膨胀系数大小非常相近,但热膨胀曲线上的滞后环却随着烧结时间的延长明显增大,以:r=0. 5的组成为例,其热膨胀曲线如示。

  不同烧结时间得到的CBZP(x =0.5)陶瓷的热膨胀曲线烧结30min得到的材料热滞后环很小,说明材料内部微裂纹较少,而随着烧结时间延长至120min时,由于晶粒长大导致微裂纹产生,表现在热膨胀曲线上有较大的滞后环。但它们的热膨胀系数却差异很小,由此可以证明在这个烧结时间范围内晶粒粒径的长大并未成为影响热膨胀系数的主要因素。

  3.4材料组成对热膨胀特性的影晌从平均线膨胀系数的测试结果(见表1)可以发现,随着材料组成的变化,两个添加剂系列的陶瓷样品的热膨胀系数均呈现出从负值到正值的变化趋势。从热膨胀曲线来看,同样是添加4%MgO在1300'C烧结120min成瓷,x=0. 5的组成表现出比=0.75的组成有更大的滞后环,见(b)和(b),再对比(b)和所示的显微结构也可看到,二者的晶粒粒径不同,:=0.5的组成其晶粒粒径明显大于x=0.75时的晶粒粒径,这与它的热膨胀曲线上呈现出较大的滞后环相吻合。可见,在相同的烧结条件下,CBZP系列陶瓷的热膨胀特性与其组成有很大关系。

  4结论CaiBarPCUdOxCl)系列陶瓷的热膨胀系数受烧结助剂的影响较大,添加ZnO时(烧结温度110CTC)该系列陶瓷的热膨胀系数比添加MgO时(烧结温度1300‘C)低,为低热膨胀材料而添加MgO时,由于烧结过程中有第二相生成,使热膨胀系数升高,超出了低热膨胀的范围。

  该系列陶瓷的组成与其热膨胀系数有很大关系,随着x从0变化到1,相应组成的平均线膨胀系数显示出从负值到正值的变化趋势,亦即通过组成的调整,可以实现热膨胀系数的连续可调。

  对于相同的添加剂和相同的组成,在本次研究的烧结温度(1100120(TC)和烧结时间(30120min)范围内引起的晶粒长大并未成为影响热膨胀系数大小的主要因素。