CN105272248A

CN105272248A - 一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法

Info

Publication number: CN105272248A
Application number: CN201510771262.2A
Authority: CN
Inventors: 张秀萍; 欧阳家虎; 刘占国
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-01-27

Abstract

一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，本发明涉及一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法。本发明是要解决现有TZP材料在高温下强度和韧性下降的问题，方法为：将第二相自愈合颗粒添加到基体粉体中，加无水乙醇用混料机球磨24h后烘干过筛，得到混合粉体，混合粉体采用真空热压法烧结，得到裂纹自愈合陶瓷材料。本发明原料成本低，制备工艺简单，周期短；添加的SiC、MoSi₂颗粒不仅能改善复合材料的力学性能，也能愈合裂纹，氧化生成的非晶Si–O(SiO)相愈合裂纹；愈合裂纹采用的热处理工艺操作简单，方便，成本低，应用范围广，裂纹愈合后材料强度达到烧结试样强度。本发明应用于陶瓷材料领域。

Description

一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法。

背景技术

自从Gupta首次报道了四方氧化锆陶瓷(TZP)以来，TZP材料的研究一直是很热门的课题。TZP陶瓷为四方氧化锆多晶材料，具有较高的室温强度和断裂韧性，此外还具有较高的硬度，较好的耐磨性、耐化学腐蚀性，常被应用于严酷环境和苛刻负载条件，如用作拉丝模、轴承、密封件、发动机活塞顶、气门机构中的凸轮、玻璃纤维和磁带的切刀等。但遗憾的是，TZP仍属于脆性材料；同时由于应力诱导相变对温度的敏感性，使高温下t-ZrO₂的稳定性增高，导致相变增韧失效致使材料的强度和韧性随温度上升而急剧下降，大大削弱了其与金属材料的竞争优势，限制了该材料的规模开发和应用。

发明内容

本发明是要解决现有TZP材料在高温下强度和韧性下降的问题，提供一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法。

本发明一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、将第二相自愈合颗粒添加到基体粉体中，加无水乙醇用混料机球磨24h后烘干过筛，得到混合粉体，其中混合粉体中第二相自愈合颗粒的比例为10～20vol％；二、混合粉体采用真空热压法烧结，烧结温度1500～1600℃，压力30MPa，保压0.5～1.5h，得到裂纹自愈合陶瓷材料。

本发明通过在基体材料中添加具有裂纹自愈合能力的第二相颗粒，在一定条件下能愈合裂纹，恢复材料强度。复合材料在制备及高温使用过程中，添加到材料中的第二相自愈合颗粒受到基体氧化物陶瓷的保护，接触不到氧化气氛能完整的存在于材料内部。一旦有裂纹产生，就提供了一个通道供氧气进入到材料内部，与存在于裂纹边缘的自愈合颗粒发生氧化反应，产生的氧化产物填补裂纹，提高材料强度。MoSi₂和SiC材料具有高温强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性能好、热导率高和热稳定性好等优异的综合性能，将其加入到TZ3Y20A基体材料中，可以起到细化基体晶粒、强化晶界、增强t-ZrO₂相稳定，以及对裂纹的偏转，侨联的作用，提高材料强度。

SiC、MoSi₂颗粒理论上不但能改善复合材料的力学性能，也是重要的裂纹自愈合颗粒。SiC属于中温自愈合材料，在高温下氧化生成SiO₂，能够形成一层玻璃质保护膜，有效阻止氧的扩散渗透，因此具有一定的自愈合性质。MoSi₂是研究最多的一种材料高温自愈合材料，它的氧化方式和产物受到氧分压和温度的影响。高温处理后的复合材料内部的裂纹与孔隙能够发生显著的降低，其主要原理是利用了SiC、MoSi₂在高温下发生氧化并填充内部孔隙从而达到自愈合的效果。SiC、MoSi₂在一定条件下都会发生氧化反应，生成氧化产物SiO₂，此氧化物能填补到裂纹中，愈合裂纹。发生化学反应不会引入其他元素污染材料体系，此外，氧化反应为放热反应，释放的热量能使氧化产物与裂纹壁结合紧密，弥补材料缺陷提高强度。

本发明的有益效果是：

1、原料成本低，制备工艺简单，周期短；

2、添加的SiC、MoSi₂颗粒不仅能改善复合材料的力学性能，也能愈合裂纹，氧化生成的非晶Si–O(SiO)相愈合裂纹；

3、愈合裂纹采用的热处理工艺操作简单，方便，成本低，应用范围广。

4、裂纹愈合后材料强度达到烧结试样强度，裂纹自愈合是解决陶瓷材料由于使用过程中产生裂纹而影响可靠性的最有效的方法。

附图说明

图1为实施例2、实施例3和实施例4制备的裂纹自愈合陶瓷材料和纯基体材料的XRD图，其中■为α–Al₂O₃，◆为t–ZrO₂，▲为β-SiC，★为c–ZrO₂；

图2为纯基体材料TZ3Y20A和实施例3制备的裂纹自愈合陶瓷材料随热处理时间变化关系图，其中■为裂纹自愈合陶瓷材料的光滑试样，●为纯基体材料TZ3Y20A的光滑试样，a为裂纹自愈合陶瓷材料的裂纹试样，b为纯基体材料TZ3Y20A的裂纹试样，□为裂纹自愈合陶瓷材料的裂纹愈合试样，○为纯基体材料TZ3Y20A的裂纹愈合试样。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

本实施方式通过在基体材料中添加具有裂纹自愈合能力的第二相颗粒，在一定条件下能愈合裂纹，恢复材料强度。复合材料在制备及高温使用过程中，添加到材料中的第二相自愈合颗粒受到基体氧化物陶瓷的保护，接触不到氧化气氛能完整的存在于材料内部。一旦有裂纹产生，就提供了一个通道供氧气进入到材料内部，与存在于裂纹边缘的自愈合颗粒发生氧化反应，产生的氧化产物填补裂纹，提高材料强度。MoSi₂和SiC材料具有高温强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性能好、热导率高和热稳定性好等优异的综合性能，将其加入到TZ3Y20A基体材料中，可以起到细化基体晶粒、强化晶界、增强t-ZrO₂相稳定，以及对裂纹的偏转，侨联的作用，提高材料强度。

本实施方式的有益效果是：

1、原料成本低，制备工艺简单，周期短；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中第二相自愈合颗粒为MoSi₂或SiC。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的基体粉体为TZ3Y20A。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的过筛是指过150目筛。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中烧结温度为1550℃。步骤二中保压时间为1h。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中保压时间为1h。其它与具体实施方式一至五之一相同。

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1：本实施例一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、将SiC添加到TZ3Y20A中，加无水乙醇用混料机球磨24h后烘干过150目筛，得到混合粉体，其中混合粉体中第二相自愈合颗粒的比例为10vol％；二、混合粉体采用真空热压法烧结，烧结温度1550℃，压力30MPa，保压1h，得到裂纹自愈合陶瓷材料。

将本实施例制备的裂纹自愈合陶瓷材料用金刚石内圆切割机切成3×4×20mm长条，表面经研磨抛光处理，在抗弯实验中受拉面中心利用维氏硬度计预制长度约120μm裂纹；(4)将预置了裂纹的试样在高温炉中热处理，热处理温度800℃，时间30h；(5)将热处理后的试样进行室温抗弯强度测试，强度达到烧结试样强度，说明裂纹完全愈合。

实施例2：本实施例一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、将SiC添加到TZ3Y20A中，加无水乙醇用混料机球磨24h后烘干过150目筛，得到混合粉体，其中混合粉体中第二相自愈合颗粒的比例为15vol％；二、混合粉体采用真空热压法烧结，烧结温度1550℃，压力30MPa，保压1h，得到裂纹自愈合陶瓷材料。

将本实施例制备的裂纹自愈合陶瓷材料用金刚石内圆切割机切成3×4×20mm长条，表面经研磨抛光处理，在抗弯实验中受拉面中心利用维氏硬度计预制长度约120μm裂纹；(4)将预置了裂纹的试样在高温炉中热处理，热处理温度1000℃，时间5h；(5)将热处理后的试样进行室温抗弯强度测试，强度达到烧结试样强度，说明裂纹完全愈合。

实施例3：本实施例一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

一、将SiC添加到TZ3Y20A中，加无水乙醇用混料机球磨24h后烘干过150目筛，得到混合粉体，其中混合粉体中第二相自愈合颗粒的比例为20vol％；二、混合粉体采用真空热压法烧结，烧结温度1550℃，压力30MPa，保压1h，得到裂纹自愈合陶瓷材料。

实施例4：本实施例一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

将本实施例制备的裂纹自愈合陶瓷材料用金刚石内圆切割机切成3×4×20mm长条，表面经研磨抛光处理，在抗弯实验中受拉面中心利用维氏硬度计预制长度约120μm裂纹；(4)将预置了裂纹的试样在高温炉中热处理，热处理温度1000℃，时间10h；(5)将热处理后的试样进行室温抗弯强度测试，强度达到烧结试样强度，说明裂纹完全愈合。

实施例2、实施例3和实施例4制备的裂纹自愈合陶瓷材料和纯基体材料进行XRD分析，结果如图1所示，图中0Vol.％代表的是不添加第二相自愈合颗粒的纯基体材料，由图1可知，采用真空热压烧结方法，物像没有发生变化，添加的第二相完整的保存在基体中。

纯基体材料TZ3Y20A和本实施例制备的裂纹自愈合陶瓷材料随热处理时间变化关系如图2所示，TZ3Y20A陶瓷材料在任何热处理时间下都没有达到光滑试样强度，说明裂纹没有完全愈合。TZ3Y20A陶瓷材料无预制裂纹时强度较高(平均1120MPa)，预制裂纹后强度下降很多，只有原来强度的31％，经不同时间热处理后，强度虽然比预制裂纹试样有所提高，但仍远远低于光滑试样强度，热处理时间越长强度越高，20h时强度最高恢复到592MPa。观察试样断口位置，发现断裂均发生在预制裂纹处。另外对热处理后试样进行XRD检测，物相没有发生变化，没有新相产生也没有发生ZrO₂的相变。经热处理材料强度有所提高，说明在高温下依靠分子扩散有助于愈合裂纹，热处理时间越长，扩散越充分，但扩散愈合效果有限，基体材料中的t–ZrO₂和α–Al₂O₃相没有完全愈合裂纹的能力。

在相同的热处理条件下，TZ3Y20A–10vol％SiC复合陶瓷材料随着热处理时间从5h延长到10h，抗弯强度也随之升高，当热处理10h时超过光滑试样强度，说明此热处理条件下裂纹完全愈合。对比这两种陶瓷材料，在相同的热处理条件下，复合材料强度均高于纯基体材料，说明添加的第二相SiC有愈合裂纹的能力，在合适的热处理条件下能完全愈合裂纹。添加的第二相自愈合颗粒氧化生成非晶Si–O(SiO)相，愈合裂纹使强度恢复；此外SiC/MoSi₂氧化反应为放热反应，释放的热量会加速周围原子的氧化和扩散；高温下材料中ZrO₂和Al₂O₃原子的扩散也对裂纹愈合起到一定作用，其中氧化反应愈合是主要的愈合机理。

实施例5：本实施例一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，按以下步骤进行：

将本实施例制备的裂纹自愈合陶瓷材料用金刚石内圆切割机切成3×4×20mm长条，表面经研磨抛光处理，在抗弯实验中受拉面中心利用维氏硬度计预制长度约120μm裂纹；(4)将预置了裂纹的试样在高温炉中热处理，热处理温度1100℃，时间5h；(5)将热处理后的试样进行室温抗弯强度测试，强度达到烧结试样强度，说明裂纹完全愈合。

由以上本实施例可知，本发明原料成本低，制备工艺简单，周期短；添加的SiC、MoSi₂颗粒不仅能改善复合材料的力学性能，也能愈合裂纹，氧化生成的非晶Si–O(SiO)相愈合裂纹；愈合裂纹采用的热处理工艺操作简单，方便，成本低，应用范围广。裂纹愈合后材料强度达到烧结试样强度，裂纹自愈合是解决陶瓷材料由于使用过程中产生裂纹而影响可靠性的最有效的方法。

Claims

1.一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一中第二相自愈合颗粒为MoSi₂或SiC。

3.根据权利要求1所述的一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的基体粉体为TZ3Y20A。

4.根据权利要求1所述的一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的过筛是指过150目筛。

5.根据权利要求1所述的一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤二中烧结温度为1550℃。

6.根据权利要求1所述的一种裂纹自愈合陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤二中保压时间为1h。