固相含量对氧化锆增韧氧化铝陶瓷注凝成型的影响(精)

固相含量对氧化锆增韧氧化铝陶瓷注凝成型的影响 内 容 摘 要 采用低毒的单体N,N－二甲基丙烯酰胺(DMAA制备了氧化锆增韧氧化铝(ZrO2/Al2O3陶瓷。讨论了分散剂的用量、ZrO2/Al2O3浆料的PH值、粉体所占浆料的固相体积分数、球磨时间对ZrO2/Al2O3浆料黏度的影响。并研究了注凝成型ZrO2/Al2O3坯体的相关力学性能。结果表明，当浆料PH值为9，分散剂的添加量为ZrO2/Al2O3粉体质量的0.6％，球磨时间为4h，ZrO2/Al2O3浆料具有最小的黏度。用DMAA制备得到的ZrO2/Al2O3坯体结构均匀，抗弯强度达到26MPa。采用48%固相体积分数的桨料制备的坯体,经烧结后，ZTA 样品的抗弯强度和断裂韧性分别达549.4MPa 和6.34 MPa·m1/ 2。 关键词：注凝成型 DMAA 黏度 ZrO2/Al2O3陶瓷 抗弯强度 Abstract The low toxicity monomer N, N - dimethyl acrylamide (DMAA was prepared zirconia toughening alumina (ZrO2 / Al2O3 ceramics. The dosage of the dispersant, ZrO2 / Al2O3 slurry PH, powder of slurry solid phase volume fraction, ball grinding time on ZrO2 / Al2O3 slurry viscosity influence. And studied the note type ZrO2 / Al2O3 condensed body mechanics performance. Results show that when the slurry PH value of 9, dispersant of the adding amount of ZrO2 / Al2O3 powder is 0.6%, ball grinding time is 4 h, ZrO2 / Al2O3 slurry has the smallest viscosity. With preparation of ZrO2 / Al2O3 DMAA uniform slab structure, bending strength is 26 mpa. Using solid phase volume fraction of 48% propeller preparation of blank, after sintering, bending strength and fracture toughness of ZTA sample respectively 549.4 MPa and 6.34 MPa·m1/ 2. Key words: note the condensed type DMAA. Viscosity ZrO2/Al2O3 body bending strength 固相含量对氧化锆增韧氧化铝陶瓷注凝成型的影响 Solid content of zirconia toughening alumina ceramics note condensed type 氧化铝陶瓷是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷材料[1]。近些年来，氧化锆增韧氧化铝陶瓷越来越受人们的关注。美国橡树岭国家实验室Omatete等在九十年代初提出的凝胶注模成型法,具有制备的生坯强度大、均匀性好,有利于提高陶瓷的性能及可近尺寸制备大尺寸形状复杂的陶瓷部件等优点[2-6],得到了广泛关注。ZrO2陶瓷因强度高、韧性好、耐磨性能优异而广泛用于复相陶瓷材料。另实验中采用N，N—二甲基丙烯酰胺(DMAA代替有毒的丙烯酰胺（AM）作为单体。本文讨论了不同因素对浆料流变性及固相含量对氧化锆增韧氧化铝陶瓷坯体和烧结体的影响。 一、 实验 （一） 原料 Al2O3，密度为3.93 g/cm3；超细ZrO2，密度为6.02 g/cm3；pH值调节剂为盐酸、氨水；分散剂为聚丙烯酸铵（NH4PMAA），有机单体为N, N-二甲基丙烯酰胺(DMAA, 交联剂为N, N- 亚甲基双丙烯酰胺(MBAM, 引发剂为过硫酸铵(APS, 阻聚剂为对苯二酚,纯分散介质为去离子水。 （二） 实验方法及步骤 Al2O3:ZrO2＝3:1(质量比，加入适量分散剂、预混液（有机单体、去离子、交联剂水质量比为90:10:1）、调节pH值,加入粉体及球磨介质, 在200r/min条件下,球磨4h,制备浆料。分别控制变量在不同的固含量、球磨时间、PH、分散剂含量下测试浆料的流变性。向浆料中加入引发剂、阻聚剂（均为预混液质量的1%）,浆料经一次真空除泡,注入模具,置于烘箱,固化后取出置于湿热烘箱干燥完全, 排胶烧结成瓷。测试坯体及烧结体的密度、气孔率、力学性能等。 （三） 性能测试 用美国BROOKFIELDR/SRHEOMETER型流变分析仪测定浆料的流变特性,用粘度计测量浆料的粘度,用美国BROOKFIELDR/SRHEOMETER型流变仪测量浆料的黏度。用用阿基米德法测定坯体的体积密度和气孔率。将陶瓷机械加工成尺寸宽高为3mm×4mm的试条,在微机控制电子万能试验机测陶瓷及生坯的三点抗弯强度,跨距为30mm,加载速度为0.5mm/min, 采用单边切口梁法(SENB测定陶瓷的断裂韧性,切口槽深为试样高度的0.5倍左右,槽宽≤0.28mm,加载速度为0.5mm/min.采用排水法测体积密度。 （四） 结果与讨论 1.浆料的流变性及高固相量浆料的制备 图１为制备的不同固相量浆料的流变曲线。由图可知,随着固相量的增加, 浆料的粘度显著增大。其中,固相量为48vol%、50vol%、52vol%、54ol%的浆料起始粘度分别为0.044、0.061、1.825、4.641Pa·s。固相量为60vol%、62vol%时,浆料起始粘度较大,流动性较差,难以填充模具。固相量为48vol%、50vol%时,浆料起始粘度较小,流动性较好,完全满足凝胶注模成型的。注凝成型不同于其他的成型方法, 它是通过内部有机体的反应来形成铰链状,使得料浆固化成型,获得的坯体密度与料浆的固含量有着紧密的联系。因此制备低粘度、流动性较好的高固相体积分数的料浆, 才能很大程度上减少坯体在干燥和烧结时的收缩率[7] 。制备的浆料固相量高、粘度低的主要原因在于: (1粉体形貌规则, 近似球形, 粒径分布窄, 故颗粒运动阻力小; 表面的Zeta电位较高,颗粒间排斥力较强; (2NH4PMAA相对于NH4PAA具有更好的分散效果,可以大幅提高ZrO2 粉体表面Zeta电位的绝对值,有效地起到了静电位阻稳定作用。还可以看出，在固相体积分数不大于50％时，浆料的黏度较小，当固相体积分数超过50％时，黏度急剧变大，在固相体积分数为54％时，在高剪切速率下剪切变稠，超过了仪器的量程，这是因为固相体积分数提高，浆料中的自由水变少，导致黏度急剧变大。 图1. 固相量对浆料流变性的影响 图2.球磨时间对浆料流变性的影响 2.球磨时间对浆料流变性的影响 图2为固含量为50vol%时，不同球磨时间对应的浆料流变曲线。其中，球磨时间为14h的起始粘度为0.069 Pa·s，流动性较好。 图3.分散剂含量对浆料流变性的影响 图4.PH对浆料流变性的影响 3.分散剂含量对浆料流变性的影响 图3为固含量为50vol%、球磨时间为14h时，不同的分散剂含量所对应的浆料的流变曲线。相比较其中，分散剂质量分数为0.7 wt%的起始粘度为0.066 Pa·s，流动性较好。 4. PＨ对浆料流变性的影响 图3为固含量为50vol%、球磨时间为14h、分散剂含量为0.7wt%时，不同Ph所对应的浆料的流变曲线。相比较,其中Ph=9所对应的浆料流动性最好。 5.坯体的力学性能分析 如图5所示，浆料的固含量为48%时，坯体有最大的抗弯强度为25.9MPa。随着固含量的增加，抗弯强度也迅速下降。 图5.坯体的抗弯强度 6 .陶瓷性能分析 如表1所示，ZTA陶瓷固含量为58vol%时，密度为4.20 g· cm-3，气孔率为0.15%，致密性良好。另他的抗弯强度为549.4 MPa，断裂韧性达6.34，即力学性能优良。 由上述分析表明, 陶瓷高强度、高韧性的原因在于: (1制备的生坯相对体积密度高,气孔少, 孔径小,无团聚体及颗粒簇的出现,有利于制备缺陷少的陶瓷; (2制备的陶瓷结构均匀,形貌规则,发育完好,致密性高,气孔少,晶粒细小,裂纹断裂路程长; (3大量处于临界尺寸的四方相ZrO2, 起到了应力诱导相变增韧的作用。 表1.烧结体的各项性能 Number Solid loading /vol% Bulk density / (g· cm-3 Apparent porosity/% Bending strength / MPa Fracture toughness / (MPa· m1/2 ZX 46 4.19 0.16 416.1 5.37 48 4.20 0.15 549.4 6.34   50 3.23 24.14 164.1 3.89   52 3.21 25.52 201.1 3.39                           二、结 论 (一 在pH=9, 分散剂加入量为0.7wt%, 200r/min球磨14h制备了固相量高达50vol%的低粘度浆料。 (二 NH4PMAA具有添加量少、分散效果好的特点, 其可以大幅提高粉体表面Zeta电位绝对值, ZrO2 粉体形貌规则,近似球形且粒径分布窄, 亲水性好。 NH4PMAA 分散效果好及粉体的特性是制备高固相量的主要原因。 (三 利用低毒的DMAA/MBAM凝胶体系, 制备的生坯表面光洁、不起皮、 (四 开裂、不变形,强度高, 接近26MPa。 （五） 制备的陶瓷平均强度为960MPa, 韧性为17.3MPa?m1/2。陶瓷高强度、高韧性的主要原因在于其四方相ZrO2含量多, 陶瓷晶粒细小, 致密性好, 结构均匀, 缺陷少。 参 考 文 献 [1] 孟德安, 马慧侠, 刘高兴.1 降低95 氧化铝陶瓷烧成温度的研究1 现代技术陶瓷. 2003, 23( 3 : 11~ 13. 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