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氧化锆陶瓷作为一种结构材料广泛地应用在工程领域,但由于相稳定机理复杂,工艺参数难以控制,使氧化锆材料在高温和腐蚀环境下相变增韧效应往往失效,比如水热环境下的低温老化、晶界腐蚀等限制了氧化锆材料在某些工程领域的应用,关于掺杂氧化锆腐蚀行为的报道在国内还比较少。
四方多晶氧化锆陶瓷是目前研究比较多的材料,其中以3Y-TZP的综合机械性能最优,但是在腐蚀环境下,3Y-TZP并不具有最好的强度,其性能随腐蚀时间的延长而降低。通过添加CeO<,2>/Y<,2>O<,3>复合稳定剂可以改善单一Y<,2>O<,3>稳定氧化锆陶瓷在腐蚀环境下的力学性能;同时制定合理的烧结曲线获得致密的基体,尤其是表面,可以阻止腐蚀反应由表面深入到基体内部。因此粉末的制备和烧结以及对氧化锆陶瓷的腐蚀机理的认识显得非常重要。
目前,国内工业化生产的氧化锆粉体存在几个缺点:烧结活性低,烧结温度高且晶粒粗大。针对这些问题,本课题通过共沉淀法制备出细晶氧化锆粉体,认为在pH=9.5,煅烧温度>500℃,中速滴定的条件下可以获得晶粒尺寸为45~90nm,一次颗粒d<,50>为0.36um,比表面积为33m<-2>·g<-1>的细超细粉体。氧化锆前驱体结构对煅烧后粉体的晶型和相成分有决定作用,在pH低的条件下H<,2>O和OH<->共同主导配位体的结构,在pH高的条件下OH<->更容易进入晶格,形成完全由OH<->配位的前驱体结构。基于量子化学的结构优化对试验中的假设及测试分析的结果进行理论论证,认为[Zr(OH)<,5>-O-Zr(OH)<,5>]<4->在溶液中的能量最低,其配位键长更接近四方氧化锆的Zr-O键长。
1550℃烧结用细晶3Y-IZP粉体制备的试样,获得室温下最高抗弯强度为725±20MPa,最高断裂韧性为7.13MPa·m<1/2>,相变增韧机制的充分发挥是基体获得优异力学性能的原因。试样在碱溶液中的腐蚀受控于水热反应,稳定剂离子的水化是腐蚀开始的必要条件。碱腐蚀后试样表面的稳定剂离子的数量并没有改变,相变是由于OH<->进入氧空位导致氧空位浓度的减少。在酸溶液中,相变是因为稳定剂离子被溶出导致基体中稳定剂的减少。试验证明添加CeO<,2>有利于提高Y<,2>O<,3>-ZrO<,2>陶瓷的耐腐蚀性能,通过表面元素以及相组成分析可得添加CeO<,2>以后的Y<,2>O<,3>-ZrO<,2>陶瓷在腐蚀之后具有更稳定的四方相。