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1、院系：土木工程学院材料科学与工程班级：一班学号：姓名：材料科学与工程结课论文Y2O3做稳定剂的单相四方多晶氧化锆材料摘要：氧化钇稳定二氧化锆是目前广泛应用的陶瓷热障涂层材料,它具有优良的隔热效果、高熔点、低的热导率和良好的化学稳定性,因而是一种很有发展潜力的热涨涂层材料。热障涂层由陶瓷表面涂层和金属缓冲层（金属粘结层）组成,氧通过陶瓷中气孔、微裂纹以及晶界到达缓冲层 ,使得在 ZrO2陶瓷涂层与缓冲层之间生成氧化物,主要为 Al2O3。当 Al2O3 膜形成一定厚度后 ,Al2O3 膜在高温下相变而产生体积膨胀。由于涂层与基底间的热膨胀失配现象在氧化层中形成残余压应力,从而导致涂层开裂和剥落,
2、这是导致热障涂层剥落失效的重要原因。在陶瓷涂层致密度不断提高的情况下,氧沿晶界到达缓冲层生成氧化物已成为热障涂层失效的重要原因之一。正文：一、概述以 Y2O3 做稳定剂的单相四方多晶氧化锆材料，就是通常所称的Y-TZP材料。这种材料以非常细小的ZrO2 晶粒所组成，烧结温度较低，材料中t-ZrO2 含量高，其中可相变的t-ZrO2 分数也很高。 目前就所有氧化锆增韧陶瓷而言，这种材料具有最佳的室温力学性能，如断裂强度高达 2.5GPa，断裂韧性超过15MPa.m?，这是他所特有的一个特点。二、 ZrO2-Y2O3系相图从这个图可见，当Y2O3含量不超过4(mol)时在 1000以上存在一个很大
3、的t-ZrO2 相区。因此，只要选取合适粒度的ZrO2 粉末为原料，添加适量Y2O3 做稳定剂，在上述区域内烧结，就很容易得到四方多晶氧化锆材料。冷却后依靠稳定剂的作用，可以使相当部分四方相以亚稳态保留下来。如果稳定剂的含量偏低，则稳定作用不够，将使相当部分四方相ZrO2转变为单斜相， 失去这种材料的特色与优越性能；如果稳定剂含量太高，则会进入立方相区产生一定量的c-ZrO2，这种氧化锆晶粒过于稳定，很难发生相变，当其含量过多时，将会影响材料的性能。三、制备工艺Y-TZP陶瓷的常规制备工艺应该注意两点:一是稳定剂的加入方式、均匀性控制及稳定剂的流失；二是防止粉末出现团聚。1.ZrO2 超细粉体
4、的制备技术锆英石的主要成分是ZrSiO4，一般均采用各种火法冶金与湿化学法相结合的工艺，即先采用火法冶金工艺将ZrSiO4 破坏，然后用湿化学法将锆浸出，其中间产物一般为氯氧化锆或氢氧化锆，中间产物再经煅烧可制得不同规格、用途的ZrO2 产品，目前国内外采用的加工工艺主要有碱熔法、石灰烧结法、直接氯化法、等离子体法、电熔法和氟硅酸钠法等。以共沉淀为基础的沉淀乳化法、微乳液沉淀反应法的主要工艺路线是：以适当的碱液如氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、尿素等作沉淀剂(控制 pH89)，从 ZrOCl28H2O 或 Zr(NO3)4、Y(NO3)3（作为稳定剂） 等盐溶液中沉淀析出含水氧化锆Zr(OH)4 (
5、氢氧化锆凝胶 )和 Y(OH)3 (氢氧化钇凝胶 )，再经过过滤、洗涤、干燥、煅烧(600900)等工序制得钇稳定的氧化锆粉体。此法由于设备工艺简单，生产成本低廉， 且易于获得纯度较高的纳米级超细粉体，因而被广泛采用。目前国内大部分氧化锆生产企业，如九江泛美亚、深圳南玻、上海友特、广东宇田等，采用的都是这种方法。但是共沉淀法的主要缺点是没有解决超细粉体的硬团聚问题，粉体的分散性差，烧结活性低。2.借助于胶体分散体系的制粉方法形成几十纳米以下的Zr(OH)4胶体颗粒的稳定溶胶， 再经适当处理形成包含大量水分的凝胶，最后经干燥脱水、煅烧制得氧化锆超细粉。此法的优点：(1)粒度细微 ,亚微米级或更细
6、；(2)粒度分布窄；(3)纯度高 ,化学组成均匀,可达分子或原子尺度；(4)烧成温度比传统方法低400500。缺点： (1)原料成本高且对环境有污染； (2)处理过程的时间较长；(3)形成胶粒及凝胶过滤、洗涤过程不易控制。随着研究的不断深入，一些研究者探索了新的制备超细粉的思路。如高温喷雾热解法、喷雾感应耦合等离子体法等，这些方法利用先进的仪器设备，生产工艺与传统化学制法相比为100，但实测往往低于该值。一方面是由于部分四方ZrO2 晶粒较小， 小于临界粒径太多在应力诱导下无法发生相变另一方面是由于类似四方相的假立方相的出现，这种假四方相具有四方相的基本结构，但固溶的Y2O3 量远大于四方相而
7、接近立方相，t-ZrO2 中固溶的Y2O3量为 2 4(mol)，而 t-ZrO2 中则达到6 7。在应力作用下，假四方相不会发生相变。它的出现是由于ZrO2 晶粒內 Y离子扩散很慢，当冷却速度快时并不能迅速通过扩散分散转变为稳定的t-ZrO2 和 c-ZrO2，而是直接由立方态转变为处于过渡状态的t-ZrO2。氧化锆稳定化的措施. 氧化锆稳定化的措施氧化锆稳定化的措施氧化锆的稳定化主要使通过掺杂稳定剂的来实现的。通过控制掺杂稳定剂的含量可以获得相组成不同的氧化锆，若使部分t-ZrO2 亚稳到室温，就得到部分稳定氧化锆PSZ ；若使t-ZrO2 全部亚稳到室温则获得只含t-ZrO2 的单相多晶
8、四方氧化锆TZP ；若使 c- ZrO2 亚稳到室温，获得c-ZrO2 单相材料即全稳定氧化锆FSZ 。Y2O3是目前用的最多的氧化锆稳定剂，主要是因为Y3+ 的离子半径比较大有利于提高 r+/r - 而增加八配位的稳定性。Y-TZP还表现出良好的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性，以它为基体已开发出多元复合强化氧化锆陶瓷，研究表明3Y-TZP的综合力学性能最优。Yb- TZP具有优异的耐热冲击性，Kontoyannis 研究了各种稀土氧化物稳定TZP材料的热性能，发现 Yb- TZP抗热腐蚀能力最强。Yb2O3 与 Y2O3 的晶型相同， Gonzalez M 等研究了Yb2O3ZrO2 系统的相
9、平衡，发定，有利于烧结过程中的晶格扩散和晶界扩散，因此Yb-TZP的烧结温度低Y-TZP ，但是强度有所下降，韧性提高。五、陶瓷增韧技术的局限性：陶瓷增韧技术虽然众多，但是各种增韧技术都有自身的特点和局限性，如：颗粒弥散增韧操作比较简单，但增韧效果不显著。纳米级颗粒引入陶瓷基体中取得了很好的增强增韧效果，但制备纳米复相陶瓷成本较高。相变增韧效果显著，能较好地应用于氧化锫陶瓷中。实现相变增韧需要将高温四方相稳定至室温，获得室温下受应力时可发生相变的四方相。四方相稳定至室温可以通过添加一定的稳定剂并适当控制制备工艺而得到。稳定剂主要是离子半径与相差不超的稀土或碱土氧化物稳定氧化锆都有一些不足，应用
10、受到限制。 复合稳定剂可以改善材料的烧结性能、提高其力学性能，但也使材料的组成和结构复杂化，复合稳定剂的添加量、比例使稳定效果非常复杂，且协同稳定作用机理也变得复杂而模糊。综上所述，只有合理地将陶瓷增韧的方法与实际高性能结构陶瓷的开发研究已引起世界工业先进国家的高度重视，并成为研究、投资、生产十分活跃的领域，尤其是日本、美国等国家都投入可观的经费。我国历来对发展新型陶瓷材料高度重视，并取得了许多重大成果。近几年有一些公司已经能够生产高质量氧化锆超细粉体，且大部分产品出口。但应该看到的是我国在原料粉体的生产方面整体还处于较落后的水平。今后的发展应朝着超细、高纯方向发展，产品制造方面应朝着新功能、新应用领域方向发展，不断扩大氧化锆应用领域。氧化锆稳定化的研究为氧化锆在更广泛领域的应用提供了理论和实践的基础，许多学者长期致力于这方面的研究，也贡献了许多成果。 然而一些复合稳定剂的作用机理还不明确只停留在试验阶段，试验成果没有得到生产应用化；同时稳定剂的种类也没有新的突破。因此对氧化锆稳定理论的研究以及新的稳定剂的开发成为推动氧化锆应用所要努力的方向。参考文献工程结构陶瓷郭瑞松2002.5 无机材料制造和应用孙家跃杜海燕2001.1 功能陶瓷及应用曲远方2003.1
