氧化物防静电陶瓷的制备与性能研究

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随着科技的快速发展,静电现象在国防军事、航天航空、石油化工、电子元器件等众多行业中普遍存在,且具有严重的危害性。防静电材料具有静电耗散作用,可以使静电得到安全释放。防静电陶瓷作为新型的防静电材料,具备耐磨耐腐蚀、安全性能高等优点,因此被广泛关注与研究。但目前所生产的防静电陶瓷存在防静电性能不稳定、制备工艺复杂,成本高昂等问题。氧化物防静电陶瓷不仅制备方法简单、生产成本低,其表面电阻率在常温下从导静电到防静电范围可调,可适用于不同的防静电领域。本论文研究采用干压成型技术和常压空气烧结的方法,制备了Al2O3掺杂ZnO、ZrO2掺杂AZO(2 wt.%Al2O3掺杂ZnO)和Nb2O5掺杂ZrO2三种氧化物防静电陶瓷,并探索了不同烧结温度、掺杂物质含量以及保温时间对陶瓷致密度、力学性能和防静电性能的影响,得到实验结论如下:(1)对于Al2O3掺杂ZnO陶瓷的制备,研究发现:陶瓷的相对密度、抗弯强度和维氏硬度均随烧结温度升高而逐渐增加,在烧结温度为1475℃时达到最大值后降低。Al2O3掺杂量为210 wt.%的陶瓷在烧结温度为14001500℃的条件下,其表面电阻率处于103107Ω/□,均达到防静电性能要求,并在导静电到防静电范围内可调。当Al2O3掺杂量为8 wt.%,在烧结温度为1475℃进行保温5 h得到陶瓷综合性能最佳,其线收缩率为14.5%,相对密度为98.3%,抗弯强度为143.2 MPa以及维氏硬度为295.4 HV0.3。(2)将导电性较好的2 wt.%Al2O3掺杂ZnO陶瓷作为基体材料,再掺入ZrO2组元,在改善材料机械性能的同时,还可以通过控制ZrO2掺杂量来调节陶瓷表面电阻率。通过XRD物相分析得到,当ZrO2掺杂量为3 wt.%时有四方相ZrO2出现,并随着ZrO2掺杂量增加,四方相ZrO2的含量也逐渐增加。当烧结温度为12501500℃,ZrO2掺杂量为115 wt.%的AZO陶瓷,其表面电阻率在105108Ω/□,均达到防静电性能要求。当ZrO2掺杂量为1 wt.%,在烧结温度为1450℃进行保温5 h得到的陶瓷综合性能相对较好,其线收缩率为17.6%,相对密度为97.6%,抗弯强度为154.5 MPa以及维氏硬度为357.5HV0.3。(3)选用ZrO2作为陶瓷基体材料,制备出Nb2O5掺杂ZrO2防静电陶瓷,通过XRD物相分析得到,当Nb2O5掺杂量低于3 wt.%时,陶瓷物相单一,只有四方相ZrO2。当Nb2O5掺杂量为4 wt.%、5 wt.%时,四方相ZrO2转变成单斜相ZrO2,并出现第二相Nb2Zr6O17,均使得陶瓷致密度、力学性能降低。当烧结温度为12001350℃,Nb2O5掺杂量为15 wt.%的ZrO2陶瓷,其表面电阻率在1051010Ω/□,均达到防静电性能要求。当Nb2O5掺杂量为1 wt.%,在烧结温度为1350℃进行保温为5 h得到的陶瓷综合性能表现优异,其线收缩率为21.9%,相对密度为97.7%,抗弯强度为506.2 MPa以及维氏硬度为1880.0 HV0.3。
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