原位Al_2O_3片晶Ce-TZP和SrO?6Al_2O_3棒晶Ce-T
复D合0.材80料料学。f报xb.原位AI2O6片晶/C-TZP和SrO.6A12O3棒晶/Ce-TZP复合材料的制备与显微结构叶建东，李红彦，吴建青，王迎军（华南理工大学无机材料系，广州510641）原位生成的片晶、Al2O3与SrCO3发生反应，原位生成的高度各向异性的棒晶，它们在基体中分布均匀，具有较大的纵横比烧结温度对片晶棒晶的大小和含量有明显影响。通过在基体中原位形成片晶或棒晶，材料的力学性能有明显的改善。
基金项目：国防科技预研基金项目（9612温、耐腐蚀耐磨、机械强度和断裂韧性好等优点，可应用于机槭冶金、化工、军事等领域，有很好的应用前景然而在中高温条件下逐渐失去相变增韧作用，其力学性能严重衰减通过传统的方法复合强化可提高TZP陶瓷的中高温力学性能，但通过直接外加晶须或片晶复合强化往往会使其常温性能下降。而通过原位生长片晶强化，则有可能使其常温力学性能也得到提高。
陶瓷复合材料传统的制备方法存在以下缺点：（1）需预先制备第二相增韧元；（2）增韧元分散不均匀，易形成大的结构缺陷，一般需要通过热压或热等静压实现致密化；（3）从商业上得到的晶须或片晶往往尺寸过大，易于在材料中产生大缺陷，导致强度下降，性能不稳定；（4）成本较高；（5）吸入晶须会损害人体健康而原位增韧是通过晶粒的各向异性生长或原位反应在基体中引入长晶或片晶，通过裂纹桥联、裂纹偏转、界面分离、长晶或片晶的拔出等机理来提高材料的力学性能，起到类似于晶须增韧的作甩原位引入的增韧元在基体中分布均匀，不会产生聚集，一般不影响烧结；可通过调整配方和工艺条件来控制长晶或片晶的大小；界面清洁，缺陷少。因此，在增韧的同时通常不会引起强度下降，往往强度也同时得到提高。如果将原位增韧和相变增韧结合起来协同增韧，就有可能进一步提高其整体力学性能通过在基体中加入A1OOH同时添加矿化剂或反应剂，在高温烧结过程中促进Al23晶粒的各向异性生长原位生长成Ai3片晶或Al23与反应剂反应生成铝酸盐棒晶，探索这种原位复合陶瓷材料的制备工艺条件，分析了材料的烧结性能，观察了材料的显微结构。
1实验过程与方法1.1原料与配方设计了ZAT和ZAS两个系列配方，以12mo%Ce2稳定的TZP（12Ce-TZP）作为基体对于ZAT系列，设计了含AI2O38vo%、15vo%、30vo%3个配方，添加TiO2作为矿化剂，添加量为Al2O3的Q4wl%，3个配方分别标记为ZAT8ZAT15ZAT30；对于ZAS系列也设计了3个配方，分别加入Al2O315vo%、30vol%、45vo%，以Sr-CO3作为反应剂，添加量为Aift的12.3w%（相当于SrO：AtO3摩尔比为0.1），3个配方分别标记为ZAS15ZAS30ZAS45原料，纯度为99.9%；为了获得高的反应活性，用AlOOH作为AfcOs源引入，A1OOH是用化学纯A1（OH）3加热至400°C分解得到；TiO2和SrCO3为化学纯试剂1.2制备工艺先将ZrO2与CeO2湿球磨混合，在1300°C锻烧预合成，然后按配方加入AlOOH和TiO2或Sr-CO3，湿球磨混合，200MPa压力等静压成型，坯体3hrs烧成1.3密度测定根据其与理论密度之比计算相对密度复合材料的理论密度按叠加法计算4显微结构分析及元素分布和相组成分析结构试样表面预先进行研磨、抛光和热腐蚀用X射线能谱仪（美国PGT公司生产IMIX-C型）分析试样中的元素分布用X射线衍射仪（日本理学D/max-通过加入SrZrO3和AI2O3在Ce-TZP基体中原位生成SrO°6AI2O3片晶，笔者则是直接加入AlOOH和SrCO3，不需预先合成S1.Z.O3，工艺SrO.6AI23/Ce-TZP复合材料的体积密度与烧结温度的关系曲线对于Ce-TZP基体本身来说，可以直接将Ce2与Zr2混合后成型、烧结，不需预先煅烧合成预先为了防止ZAS系列复合材料中存在游离SrO，将Ce2与Zr2煅烧合成是由于：预先合成可基本配方采用Aktt过量，SrOAtCb摩尔比为0. 1，小避免在烧结过程程中CeO2与Al2O3及矿化剂、、反应剂于分子的尔比0 16加上有少量与发生反应，这样既可保持基体均为12Ce~TZP，又不会导致产生复杂的新矿物。X射线衍射分析表明，用未经预先合成的原料制备的复合材料，烧结后Zr2以单斜相为主，而用预先合成的原料，则烧结体中Zr2基本上是四方相，如这说明要制备以Ce-TZP为基体的复合材料，需要预先将Ce2与Zr2煅烧合成另外，AlOOH在500~600°C之间分解为Al23，对烧结应该没什么影响，但Al23的相变V-AI2O31100- 1300°CT-AI2O3发生体积收缩，可能对复合材料的烧结有一定的影响。
2.2显微结构材料的性能取决于材料的组成和结构，而对于组成一定的陶瓷材料，其性能就主要取决于材料的显微结构本研究目的就是在Ce-TZP陶瓷基体中原位形成第二相片晶或棒晶，从而达到强韧化热腐蚀表面的电子显微照片。由可见，复合材料由粒状Zr2主晶相和片状AI2O3第二相晶体组成，片晶分布均匀。Aift晶粒的生长是各向异性的，这是由于原子面表面自由能的差异引起但在没有添加矿化剂等物质时各向异性生长并不显著烧结体中Ai3晶粒在矿化剂的促进下，发生明显的各向异性生长，成为片状晶粒Horn和Messing就是在一水软铝石中加入微量Ti2制得含原位Al23片晶的氧化铝陶瓷随着烧结温度的提高，烧结体更晶粒尺寸增加不明显。1550°C烧结的试样中At3片晶宽约2Mm~5Mm，厚约0. 5Mm~1Mm；而1600°C烧结的试样中Al23片晶宽约3Mm~7Mm，厚约0. 1.5Mm后者的径厚比略大于前者。
烧结温度的提高可促进片晶的各向异性生长试样中并非所有A1O3晶粒都是片状，还有部分晶粒是粒状或厚板状。通过原位生成Abft片晶，材料的力学性能得到了改善，其中在1600°C下烧结的ZAT15试样的抗弯强度达到761MPa（Ce-TZP基体本身的强度为667MPa），而断裂韧性提高至14.2MPa.m1/2（Ce-TZP基体本身的韧性为致密晶4生长更完整，片晶尺c寸大1但1基体uc°Wishmgl2棒晶长约mervm，%径：小于vcai，比相为1550°C烧结的ZAS30试样热腐蚀表面的电子显微照片。由可见，与ZAT系统一样，ZAS复合材料由粒状Zr2主晶相和棒状SrO.6AI2O3第二相晶体组成，棒晶分布均匀。从照片看，SrO°6Ab3晶粒的形状应该是棒状的长晶，而不是Cutler等所认为的片状烧结体中，SrO.同温度下烧结的ZAT材料中的片晶尺寸要小。SEM观察同样发现，提高烧结温度不但棒晶尺寸增大，而且长径比也增大另外，烧结体中存在粒状的Al23晶粒，与前面的分析一致对于这一系列复合材料，ZAS30配方的力学性能最好，在1600°C下烧结的ZAS30试样的抗弯强度为752MPa，而断裂韧性贝丨达到14.原位形成的片晶和棒晶在复合材料中与TZP基体的相变增韧能起到协同增韧的作甩在1550°C烧结的ZAS30试样的SEM照片3结论研究表明，通过在Ce-TZP基体中加入AlOOH及矿化剂TiO2或反应剂SrCO3，在烧结过程中促使Al23晶粒各向异性生长或Aift与SrC3发生反应，原位形成的Ai3片晶/Ce-TZP复合材料和SrO°6Al23棒晶/Ce-TZP复合材料。所生成的片晶和棒晶在基体中分布均匀，具有较大的径厚比或长径比第二相的加入会阻碍Ce-TZP的烧结，相对密度随着Aift含量的增加而降低尽管复合材料的烧结温度比Ce-TZP高，但还是可以在常压下烧结烧结温度对片晶棒晶的大小和含量有明显影响，提高烧结温度会增大片晶棒晶的大小和含量，而且纵横比略有提高。复合材料中除了片晶和棒晶外还含有部分粒状或厚板状的Aift晶粒通过在基体中原位形成片晶或棒晶，复合材料的力学性能有明显的改善
