氧化石墨烯的添加对Al2O3和ZrO2陶瓷闪烧行为的影响

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氧化铝(Al2O3)和氧化锆(Zr O2)陶瓷是应用非常广泛的陶瓷材料。然而,这些陶瓷材料的烧结制备不仅需要很高的烧结温度,而且需要很长的烧结时间,导致能耗巨大。随着“双碳”战略的实施以及节能减排的要求,开发出Al2O3和Zr O2陶瓷的低温快速烧结制备技术显得尤其重要。闪烧技术是近年来备受研究者关注的一种新型烧结技术,能实现陶瓷材料的低温快速烧结致密化。闪烧的发生与样品的导电性能有关。为了深入了解闪烧行为和电导率之间的关系,本文研究了氧化石墨烯(GO)的添加对Al2O3和Zr O2陶瓷闪烧行为的影响规律。具体研究内容及结果如下:(1)采用高分子网络凝胶法制备了α-Al2O3纳米粉体,然后将GO加入到α-Al2O3纳米粉体中,其中GO的质量比为3.0 wt.%。将Al2O3/GO混合粉体压制成狗骨头状的素坯,然后施加不同的直流电场和限制电流,研究其闪烧行为。结果表明:当电场强度为250~400 V/cm时,Al2O3/GO在236~249℃的温度下发生闪烧;电流密度越大,样品的致密度越高;当电流密度大于33.33 A/cm~2时,由于电流在样品中产生局域化现象,形成“热点”,导致样品断裂。Al2O3/GO在等温条件下的闪烧研究表明,在炉温为800℃、电场为300 V/cm、电流密度为33.33 A/cm~2的条件下,制备了几乎完全致密的Al2O3/r GO复合陶瓷材料;除了限制电流外,炉温也是控制致密化程度以实现“安全”闪烧的关键参数。(2)采用高分子网络凝胶法制备了3YSZ(3 mol%氧化钇稳定氧化锆)纳米粉体,然后将GO加入到3YSZ纳米粉体中,其中GO的质量比分别为0.5 wt.%和1.0 wt.%。将3YSZ/GO混合粉体压制成狗骨头状的素坯,然后施加250~400 V/cm的直流电场和0.10~0.28 A的限制电流,以及120~150 V/cm的交流电场,研究其闪烧行为。研究结果表明:在250~400 V/cm的直流电场作用下,3YSZ/GO坯体在713~771℃发生闪烧;随着电场强度的增加,发生闪烧时的炉温降低,闪烧后样品的晶粒尺寸减小;限制电流越大,样品的致密度越高,晶粒尺寸越大;在300 V/cm的直流电场和0.28 A的限制电流下,制备出几乎完全致密的3YSZ/r GO复合陶瓷。在交流电场作用下,随着施加电场的增加,3YSZ/r GO复合陶瓷的致密度增加,同时晶粒尺寸更为细小,所制备的3YSZ/r GO复合陶瓷具有高的硬度和断裂韧性。(3)采用高分子网络凝胶法制备了α-Al2O3和3YSZ纳米粉体,按照质量比为4:6的比例混合,然后将质量比为1.0 wt.%的GO加入到混合粉体中,将混合粉体压制成狗骨头状的素坯,对其施加400~600 V/cm的直流电场,研究其闪烧行为。结果发现:样品发生闪烧的炉温随电场强度的增大而减小;在600 V/cm的直流电场和0.10 A的限制电流下,制备出几乎完全致密的Al2O3-3YSZ/r GO复合陶瓷;闪烧过程中没有发生固相反应。
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