纳米ZrO2应用现状及前景研究

综述了纳米氧化锆在陶瓷增韧、催化作用、传感器以及功能薄膜等领域的应用,由于纳米ZrO2具有超塑性行为,被用作陶瓷增韧的材料;纳米ZrO2的化学稳定性好,粒子尺寸小,比表面积大,使催化性能大大提高;由于纳米ZrO2禁带宽、折射率高,被广泛应用于各种光学薄膜;纳米氧化锆涂层晶粒堆积紧密、气孔率低、涂层的结合性能较好,被广泛用作热障涂层.综合分析认为纳米氧化锆具有十分广阔的应用前景.     

纳米氧化锆复合陶瓷在牙科上的应用发展

纳米氧化锆复合陶瓷由于具有良好的相变增韧性能而被作为新型义齿材料。本文介绍了被广泛应用于牙科界的两种纳米氧化锆复合陶瓷及其制备方法：纳米增韧复合陶瓷（ZTA）、四方相氧化锆多晶体（TZP），以及纳米氧化锆复合陶瓷的增韧机理与机制；概述了氧化锆复合陶瓷在牙科的研究现状以及氧化锆复合陶瓷材料的发展前景及应用限制。     

液相等离子喷涂制备纳米ZrO2/Y2O3涂层的研究

传统的喷涂技术制备的ZrO2/Y2O3涂层存在原料需团聚烧结致密,纳米晶粒不定和物理性能不佳等缺点.采用一种新型的液相等离子喷涂法制备了纳米氧化锆热障涂层,初步分析了液相前驱体液滴在等离子焰流中和基体表面的沉积变化过程,研究了雾化液滴尺寸对纳米氧化锆涂层的显微结构,特别是其相结构的影响;同时分析了纳米氧化锆涂层的抗热震循环性能.结果表明,纳米氧化锆涂层可以承受1 000多次的热循环试验,具有优良的抗热震性能.     

纳米氧化锆对氧化镁陶瓷抗热震性的影响

本工作以高纯氧化镁粉、纳米单斜氧化锆粉为原料,通过配料、成型,分别在1 350℃、1 450℃、1 550℃保温2 h后烧结,制备了氧化镁陶瓷试样。研究了单斜氧化锆加入量、烧结温度对氧化镁陶瓷的烧结性能和抗热震性的影响。结果表明:加入纳米单斜氧化锆可以提高氧化镁陶瓷的显微结构均匀性,降低烧结温度和促进试样的致密化;加入纳米单斜氧化锆的试样通过微裂纹增韧、相变增韧以及微裂纹偏转增韧提高氧化镁陶瓷的抗热震性。加入12%(质量分数)的纳米单斜氧化锆的样品在1 450℃烧结而成的试样的抗热震性最优。     

齿科用氧化锆陶瓷韧性研究进展

氧化锆陶瓷具有高强度、高韧性、高硬度、耐磨损、生物相容性好等优点, 广泛应用于齿科修复。但氧化锆陶瓷相变增韧会缩短其服役寿命, 尤其在极潮湿的口腔唾液等复杂的生物化学条件下, 因承受咀嚼力、温度的频繁变化, 而导致其失效断裂。本文概述了氧化锆陶瓷在齿科修复领域的应用研究进展, 总结了氧化锆陶瓷的增韧机理以及常用齿科氧化锆陶瓷的研究现状, 并对临床服役中氧化锆陶瓷的韧性老化现象进行分析, 总结了韧性老化机理及其预防措施和方法。随着齿科氧化锆陶瓷综合力学性能的提高以及健康功能化的未来需求, 其在生物医用领域的应用将会越来越广泛。     

氧化锆(ZrO2)基纳米功能材料的研究进展

氧化锆(ZrO2)同时具有氧化中心和还原中心,具有很高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性,能应用于催化、电子、耐高温、环境友好电极材料等方面。介绍了ZrO2的晶体形态和各种晶型之间的相互转变规律,纳米ZrO2的性能和制备方法,介孔ZrO2形成机理；综述了Y3 /ZrO2(YSZ)、Mn4 /ZrO2、Ti4 /ZrO2、Ce4 /ZrO2、SO42-/ZrO2(SZ)等掺杂材料的性能、应用及制备等研究情况.     

等离子喷涂纳米陶瓷涂层的显微组织及结构分析

热障涂层由绝热陶瓷层和金属底层组成,是目前保证高温合金在火箭发动机热端部位正常工作的主要技术.应用等离子喷涂方法成功备了纳米氧化锆陶瓷涂层,并对其微观组织形貌及相结构等进行观察分析,探讨了纳米陶瓷涂层的沉积机理.研究表明,涂层中的孔隙主要为长条形和近球形,无贯穿性孔洞;纳米陶瓷涂层裂纹较为细小,无明显的方向性;纳米粉末和涂层均为四方相(t-ZrO2)氧化锆组成的熔融或者部分熔融状态的纳米结构.     

3Y-TZP/mullite-Alumina复合陶瓷的韧性及增韧机制

为了研究3Y TZP为基体的3Y TZP/mullite Alumina复合陶瓷的断裂韧性及其增韧机制,将3Y TZP、mullite、Alumina3种粉料球磨混合,经干压、等静压成型,在1480℃,4h无压烧结,通过改变Alumina/mullite体积比,得到了不同断裂韧性的陶瓷复合材料,利用XRD与SEM技术分析了复合材料的成分及微观结构.研究结果表明:Al2O3/mullite体积比影响复合材料中四方氧化锆(t ZrO2)向单斜氧化锆(m ZrO2)转变的相变量、复合材料的微观结构和t ZrO2晶面间距,进而影响材料的断裂韧性;用单边切口梁法测试复合材料断裂韧性(KIC)为9 26～10 4MPa·m1/2;此系统中存在ZrO2相变增韧、非相变第二相颗粒增韧等机制.     

高温热处理对等离子体喷涂的纳米氧化锆热障涂层的影响

热障涂层已广泛用于燃气发动机燃烧室等高温零部件上。纳米热障涂层韧性改善,厚度可以增加,能够提高零部件使用温度和使用寿命。首先利用低压等离子体在镍基体上喷涂制备NiCoCrAlYTa金属中间结合层和大气等离子体喷涂制备Y_2O_3部分稳定的ZrO_2纳米陶瓷面层,然后将纳米氧化锆热障涂层样品在大气中于1050～1250℃温度范围内煅烧处理2～20h。通过扫描电镜和X射线衍射仪分析纳米氧化锆热障涂层高温煅烧前后的组织结构变化和相组成变化,并与常规微米氧化锆热障涂层进行比较。研究结果表明:经高温煅烧后,纳米氧化锆热障涂层中晶粒大小和在陶瓷面层/金属中间结合层界面上形成的TGO的厚度随煅烧温度升高和时间的延长而增大;纳米热障涂层中TGO的增长速度比常规微米热障涂层快;纳米热障涂层经高温煅烧空气中冷却后,主要由四方相组成;与常规微米热障涂层的相组成比较,纳米氧化锆热障涂层中的四方相为低稳定剂四方相。     

氧化锆增韧HA/ZrO2功能梯度涂层的TEM分析

利用净能量控制的PRAXAIR4500型等离子喷涂系统,在钛合金基体上制备出HA/ZrO2功能梯度涂层,采用HTEM、XRD、SEM等对涂层过渡层ZrO2相的结构特征进行分析.结果表明:(1)富锆的过渡层存在ZrO2 3种晶型,主要以四方氧化锆为主,含有少量的立方氧化锆及微量的单斜氧化锆和CaZrO3,单斜氧化锆的出现说明材料内发生了四方氧化锆向单斜氧化锆马氏体相变,这种马氏体相变有利于提高HA材料的韧性;(2)生物活性功能涂层的富锆过渡层致密,与钛合金基体结合紧密,纯羟基磷灰石的表面层具有典型的多孔结构特征,整个涂层沿垂直基体方向从过渡层致密结构向表面层多孔结构过渡;涂层的这种结构特征有利于改善功能梯度涂层的综合性能,提高涂层与基体的结合强度,其结合强度达到48.6MPa.     

均相共沉淀法制备纳米氧化锆复合粉体

以氨水、氧氯化锆为原料,在旋转填充床中进行均相共沉淀制备了纳米级ZrO2.采用XRD、TEM、BET测试手段对前驱体及纳米级ZrO2粉体进行表征.研究了转速、醇洗脱水工艺、煅烧温度对粉体粒径、分散性、晶型的影响.研究结果表明,在转速为1800r/min时,采用无水乙醇乳化脱水工艺,550℃下热处理能得到粒度分布窄、硬团...     

Al2O3基陶瓷材料增韧的研究进展

Al_2O_3基陶瓷材料具有高的化学稳定性,有较好的应用前景,但其脆性限制了它的推广应用,对氧化铝陶瓷进行增韧是解决其脆性问题的一条重要途径。简要介绍了目前氧化铝陶瓷的增韧方法和增韧机理,综述了氧化铝陶瓷增韧的研究现状,分析了氧化铝陶瓷增韧研究中存在的主要问题,展望了氧化铝陶瓷增韧的发展方向,提出了原位生长及复合增韧是高性能Al_2O_3基陶瓷材料的研究重点。     

SiC-ZrO_2纳米颗粒协同强韧化MOSi_2陶瓷的组织与性能

通过热压烧结制备SiC-ZrO_2/MoSi_2复相陶瓷以及对比试样MoSi_2、ZrO_2/MoSi_2、SiC/MoSi_2陶瓷,利用X射线衍射仪、透射电镜以及力学性能测试仪器等对材料组织和力学性能进行了研究。结果表明:纳米ZrO_2、SiC颗粒的加入可以有效细化MoSi_2基体晶粒,纳米ZrO_2、SiC颗粒协同作用更有利于提高MoSi_2基陶瓷的抗弯强度和断裂韧性,协同相中纳米SiC颗粒细化和强化MoSi_2基体的效果要好于纳米ZrO_2颗粒;20 vol%SiC+10 vol%ZrO_2+MoSi_2复相陶瓷抗弯强度是MoSi_2的3.8倍,断裂韧度是MoSi_2的2.4倍;在复相陶瓷基体以及粒子周围存在不同特征的位错组态,ZrO_2可以依靠自身相变的体积效应向基体泵入或输送位错,钉扎位错的第二相粒子包括SiC粒子和未相变的ZrO_2小粒子,弥散相特别是晶内型SiC和ZrO_2粒子对复相陶瓷位错的钉扎作用明显。     

Phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high performance engineering ceramics

Because of its outstanding mechanical properties, zirconia-based ceramics are considered as some of the best potential materials within the engineering ceramics field that might be widely used to substitute various metallic parts and specific alloys. Taking into account the transformation toughening mechanisms that operates in their microstructure, important properties can be obtained. Phase transitions as well as transformation toughening in ZrO₂ are reviewed briefly with the purpose to understand its effects in some composites and glass systems. Zirconia ceramics as high toughness materials for cutting tool, metal forming applications, mechanically superior ceramics called partially stabilised zirconia (PSZ), solid electrolytes, have been fabricated using the martensitic nature of the tetragonal to monoclinic phase transition.     

超重力下燃烧合成大体积凝固态Al2O3/ZrO2（4Y）研究

通过在铝热剂中引入ZrO2(4Y)混合粉末,以超重力下燃烧合成方式,制备出Al2O3/ZrO2(4Y)自生复合陶瓷板材,并研究了复合陶瓷微观结构、生长机理与力学性能.XRD、SEM与EDS结果显示,Al2O3/32%ZrO2(4Y)复合陶瓷基体为亚微米t-ZrO2纤维成三角对称分布其上、取向各异的棒状共晶团,而Al2O3/37%ZrO2(4Y)复合陶瓷则以分布均匀的微米级t-ZrO2球晶为基体.Al2O3/32%ZrO2(4Y)复合陶瓷的强化归因于小尺寸共晶团边界及残余压应力增韧、相变增韧机制引发的高断裂韧性所致;同时,细小t-ZrO2球晶所具有的小尺寸缺陷及相变增韧与微裂纹增韧机制所引发的高断裂韧性也使Al2O3/37%ZrO2(4Y)复合陶瓷得以强化.     

From Biomimetic Concept to Engineering Reality – A Case Study on the Design of Ceramic Reinforcement

The applications of ceramics are limited by their brittleness. Though the toughness of ceramics can be improved by adding hard and strong toughening agents, their damage tolerance is still poor. Novel concept derives from fish scale is explored and used to design alternative toughening agent. The microstructure of fish scale exhibits hierarchical complexity and many weak layers are present. As fish scales are used directly as the toughening agent, the toughness of ceramics can be enhanced. Furthermore, a new toughening mechanism involving crack deflection within fish scale is observed. Based on such observation, the toughening agents with internal weak interfaces are recommended as the toughening agent. Many ceramic/metal interfaces are present within the multilayer ceramic capacitors (MLCCs). The addition of MLCCs into brittle glass improves its crack resistance considerably.     

弱层成分对SiC/ BN层状陶瓷阻力行为的影响

利用压痕2强度法测定了不同弱层成分的SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为, 研究了BN 弱层成分对SiC/ BN 层状陶瓷的阻力曲线行为的影响, 并与SiC 块体陶瓷作对比。结果表明: 与SiC 块体陶瓷相比, SiC/ BN层状陶瓷具有更为明显的升值阻力曲线行为, 且其阻力曲线行为受弱层成分的影响。其中, BN 弱层中加入30 %Al₂O₃ 的SiC/ BN 层状陶瓷显示出更为优越的抗裂纹扩展能力, 其阻力曲线上升最陡, 上升幅度最大。分析认为,这与它们不同的增韧机制和界面的结合状态有关。原位增韧是SiC 块体陶瓷韧性提高的主要原因。裂纹遇到弱界面时发生偏转、分叉以及脱层等是层状陶瓷材料抗裂纹扩展能力提高的主要原因。而弱层成分又影响着裂纹的偏转, 适当结合强度的界面有利于裂纹的偏转, 结合强度太弱太强的界面都不利于裂纹的偏转。     

烧结温度对20%ZrO_2(3Y)/Al_2O_3复相陶瓷力学性能和微观结构的影响

20%纳米ZrO2(3Y)粉末加入到高纯亚微米Al2O3粉中,采用高压干压成型方法和恒速升温多阶段短保温烧结方法制备出不同烧结温度下的复相陶瓷。研究烧结温度对复相陶瓷力学性能的影响,通过XRD,EDS和SEM对复相陶瓷进行元素组成和微观结构分析。结果表明:烧结温度在很大程度上影响着复相陶瓷的力学性能和微观结构,常压烧结1600℃保温8h时,相对密度、维氏硬度和断裂韧性达到最大,分别为98.6%,18.54GPa和9.3MPa·m1/2,而基体晶粒尺寸为1.4~8.1μm,ZrO2相变量为34.6%。1600℃下复相陶瓷具有优质的微观结构,断裂方式为沿晶-穿晶混合断裂模式。ZrO2(3Y)粉体的加入,从相变增韧、内晶型颗粒增韧和裂纹偏转等多个方面提高了复相陶瓷的断裂韧性。     

Microstructural defects and mechanical properties of high-performance ceramics

Strategies for an optimization of the mechanical properties of advanced ceramics are derived from basic rules of fracture mechanics of brittle solids. The elementary mechanisms of microstructural reinforcement at low and high temperatures such as dispersion toughening, microcrack toughening, transformation toughening, and devitrification are explained. Furthermore, the impact of an improved processing technology avoiding crack-initiating microstructural flaws is demonstrated.     

陶瓷材料相转变增韧的研究进展

介绍了几种相转变韧化机制，主要包括ZrO2相变增韧、铁电／压电性畴转变增韧、铁弹性畴转变增韧的增韧机理和研究进展。提出一种新的相转变增韧机制——铁磁性畴转变增韧机制，即利用铁磁相的磁畴转变或压磁效应来实现能量耗散，从而达到增韧效果，探讨了其可能性。