Al2O3/ZrO2复合陶瓷的光固化动力学研究及制备

来源 :沈阳航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ch21st
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陶瓷材料因其高化学稳定性、高耐磨性、高硬度和高抗弯强度等优异特点而广泛应用于航空航天、医疗、电子、机械等领域。但由于陶瓷材料具有高脆性的致命弱点,使其抗冲击能力差、韧性低,从而大大限制了陶瓷材料在更广泛领域的应用,因此应对其进行增韧改性。本文以不同尺度的Al2O3和ZrO2粉体为原料,对光固化氧化铝基陶瓷材料进行增韧改性,以提高综合性能。本文采用差示扫描量热法(DSC),研究了 Al2O3/ZrO2复合陶瓷的光固化动力学,对其表观活化能和反应级数进行表征;采用数字光处理(DLP)成型技术制备了陶瓷素坯,并对素坯进行脱脂和烧结以制备陶瓷材料;采用XRD、SEM等分析手段对陶瓷材料烧结过程中的晶相转化及断面的微观结构进行了表征;同时对不同尺度粉体含量的陶瓷材料的收缩率、致密度、硬度、弯曲强度、断裂韧性等物理机械性能进行了详细的研究。研究表明Al2O3/ZrO2复合陶瓷光固化历程对紫外光能量和粉体类型非常敏感,随着紫外光的能量增大,固化反应的最大反应速率增大,达到最大反应速率的时间减少,液态浆料转化为固体陶瓷的转化率明显增大。Al2O3/ZrO2复合浆料中ZrO2含量为25wt%、50wt%、75wt%时,光固化反应的表观活化能分别为407.1 kJ/mol、530.1 kJ/mol和622.9 kJ/mol,而反应级数均为0.99,说明光固化陶瓷的固化反应均接近一级反应。添加nm-Al2O3粉体的纳米复合氧化铝陶瓷的收缩率和致密度随着nm-Al2O3粉体含量增加而增大,弯曲强度随nm-Al2O3粉体含量和浆料固体含量的增加而增大。浆料固体含量为44vol%,与微米级纯氧化铝陶瓷相比,添加75wt%nm-Al2O3粉体时,陶瓷的弯曲强度达到最大值107.58 MPa,断裂韧性为4.32 MPa·m1/2;添加nm-ZrO2粉体的Al2O3/ZrO2复合陶瓷,在同等浆料固体含量条件下,添加量为20wt%的复合陶瓷的弯曲强度达到123.13 MPa,断裂韧性为8.97 MPa·m/2;与相同固体含量的75wt%nm-Al2O3氧化铝陶瓷相比,弯曲强度提高了 14.45%,断裂韧性提高了 92.82%。对nm-ZrO2粉体添加量为20wt%和10wt%的Al2O3/ZrO2复合陶瓷材料的断口和表面进行了 XRD表征,结果表明材料在断裂过程中部分氧化锆发生了相转变,起到了增韧的作用;对粉体固体含量为44vol%,nm-ZrO2粉体添加量为20wt%,在4种不同温度下烧结的陶瓷材料的断口进行了 SEM表征,结果表明Al2O3/ZrO2复合陶瓷在烧结温度为1600℃时最致密、力学性能达到最大值。
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