近年来,碱性电池以其无泄漏、放电量大(是普通电池的7倍)、性能高、通用性强,“绿色环保”等优势异军突起,发展迅速。生产碱性电池的一个重要环节就是将电极粉料通过模具在高达4吨的压力下冲压成型,由于生产是连续化作业,因此,要求挤压成型模具耐磨、强度高、韧性好,抗热冲击性好。经冲压成型出的电极粉环的质量对碱性电池性能和寿命的影响关系极大。目前国内市售的碱性电池用冲压成型模具有美国和日本的进口陶瓷模具和国产合金钢或硬质合会模具。进口陶瓷模具使用寿命4-6个月,国产合金钢模具使用寿命约1个月。 本文系统的研究了ZTA材料的力学性能和磨擦磨损性能。采用共沉淀法制备了Y2O3含量为(2～3 mol％)的Zr(OH)4和Y(OH)3凝胶,再加入80 wt％,85 wt％的国产高纯纳米氧化铝粉料制备了Y-TZP/Al2O3复合粉体,研究了复合粉体的合成条件和煅烧温度对ZrO2的晶粒尺寸和复合粉体相组成的影响。经干压和200 MPa等静压后,ZTA复相陶瓷材料在1500～1600℃常压下烧成,对其相对密度、力学性能、磨擦磨损性能和显微结构进行了研究。 经XRD图谱分析表明,Y2O3稳定的复合粉体在常温下均可保持为t-ZrO2,且晶粒尺寸较小,约10 nm左右。与2Y-TZP/Al2O3粉体相比较,3Y-TZP/Al2O3粉体中四方相氧化锆的稳定性增强,形成部分不易相变的四方相。烧成的ZTA陶瓷材料抛光表面和断面均有不同程度的m-ZrO2出现,并且较3Y-TZP/Al2O3粉体,2Y-TZP/Al2O3粉体中Y2O3含量较少,具有较多m-ZrO2,这说明在抛光和断裂过程中,材料受到应力作用,产生了相变,相变量越多说明材料的韧性越好。 采用阿基米德法测定了ZTA粉体的相对密度,发现ZTA陶瓷材料的相对密度随着烧成温度的升高而升高,但在1550℃烧成后都基本已经烧结,相对密度大多达到了99％以上。 材料的力学性能随着烧成温度的升高而有所升高,但温度过高会导致晶粒的过分长大,降低材料的力学性能；另外,随着氧化锆含量的增加,晶粒细化,力学性能也有所提高。2Y-TZP/Al2O3(85％Al2O3)-1550℃的抗弯强度达789 MPa,断裂韧性达13MPa·m1/2;2Y-TZP/Al2O3(80％Al2O3)-1600℃的抗弯强度达835 MPa,断裂韧性达16.5MPa·m1/2。采用维氏硬度计测试了材料的硬度,发现材料的硬度与相对密度有密切关系,随着相对密度的升高而升高,并且氧化铝含量的增加也有利于维氏硬度的提高。2Y-TZP/Al2O3(85％Al2O3)-1550℃的维氏硬度约17.4 GPa2Y-TZP/Al2O3(80％Al2O3)-1600℃的维氏硬度约17.3 GPa。 磨损测试显示2Y-TZP/Al2O3(85％Al2O3)-1550℃的磨损率为6.0×10-7mm3/Nm,2Y-TZP/Al2O3(80％Al2O3)-1600℃的磨损率为5.93×10-7mm3/Nm,这与材料良好的断裂韧性和硬度有关。 结合SEM分析,对材料的显微结构及断裂方式进行了研究,发现烧成后材料中的氧化锆和氧化铝晶粒均保持圆形,且分布均匀,材料断裂主要以沿晶断裂为主,但伴随有穿晶断裂的存在。