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防止氧化锆陶瓷低温老化有哪些方法?

作者: 时间:2018-12-21692 次浏览

经过上文的介绍,氧化锆陶瓷低温老化的原因想必大家已经了解了一些,那么有没有一些方法可以防止它老化呢?


氧化锆陶瓷的LTD 与t→m转变势垒(ΔGt-m)、氧空位浓度和残余应力大小有关,因此要想抑制LTD可以从控制这3方面入手。而影响这3方面的因素主要包括有:晶粒尺寸、添加剂的含量、烧结温度、保温时间和表面处理方式等。

 

1、提高转变势垒


t→m转变过程中自由能的变化如下所示:


其中:Gc为化学自由能的变化;Gse为应变自由能的变化;Gs为表面自由能的变化。要抑制t–m转变,就得提高转变势垒Gt-m。通过加入氧化钇、氧化铈等可以提高Gc,增加基体的弹性模量可以提高Gse,降低晶粒大小可以提高Gs。


氧化锆陶瓷隔板

Hallmann等发现:为使Y-TZP具有更大的抗低温劣化能力,氧化锆的更大晶粒尺寸应控制在0.3~0.4μm。Xiong等制备出平均晶粒尺寸约为50nm的3Y-TZP,时效处理之后,发现不存在明显的低温劣化。Fabbri等发现氧化锆增强氧化铝复合物中氧化铝的存在提高了t→m转变的阈值,使材料具有杰出的抗老化能力。

 

2、氧空位


为抑制LTD的发生,可以降低晶粒大小或增加氧化钇的含量,但这2种方法都会降低氧化锆的断裂韧性。因此,研究人员开始采用掺杂的方法来抑制LTD的发生。当掺杂三价氧化物的阳离子半径(Men+)大于或小于锆离子时,在偏析驱动力作用下掺杂阳离子会在晶界处偏析。掺杂后为保持电荷平衡会在晶界处产生氧空位,偏析的阳离子(Me’Zr)与氧空位(Vö)相结合,从而打断了由于OH–扩散造成的氧空位的耗散,抑制LTD。

 

Zhang等也通过掺杂阳离子半径不同于锆离子的氧化物来提高材料的抗LTD能力。结果表明:0.2%(质量分数)La2O3和0.10%~0.25%Al2O3共掺杂到3Y-TZP中材料具有优异的长期稳定性。但氧化铝的加入会影响3Y-TZP的透明度,故需要控制其加入量,Zhang发现Al2O3的添加量为0.25wt%时,抑制LTD效果更佳。


Al3+在晶界处均匀分布(左:3Y-0.25Al的晶界图 右:Al3+的分布)

此外,通过加入少量的氧化硅也可以抑制LTD。因为氧化硅分布在多个氧化锆晶粒结合处,能够降低三晶交汇点处的残余应力,减少应力集中,提高材料的抗老化能力。Samodurova等将氧化铝和氧化硅共掺杂到3Y-TZP中,起到了很好的抗老化效果,且未对材料断裂韧性造成影响。