磷酸鋯--復(fù)合陶瓷原料

1.  磷酸鋯的低膨脹性
磷酸鋯從室溫至1100℃表現(xiàn)為正膨脹，其膨脹系 數(shù)為1.710-6/℃。但磷酸鋯燒結(jié)材料，隨著燒結(jié)溫度 的升高、高溫?zé)蓵r(shí)間的延長(zhǎng)，其熱膨脹系數(shù)下降，特別是在1400℃以后，負(fù)膨脹百分率增大。浙江大學(xué)材料系王秀芳等針對(duì)燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間對(duì)磷酸鋯陶瓷 的熱膨脹系數(shù)的影響，作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖1                                               如圖 2
 
圖 1 為磷酸鋯粉體中添加2wt%Ni2O3 為燒結(jié)促進(jìn) 劑，在不同溫度下燒結(jié)2 小時(shí)陶瓷的熱膨脹曲線。由 圖可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷的熱膨脹系 數(shù)就下降，負(fù)膨脹百分率越來越大。
圖 2 為磷酸鋯粉 體中添加2wt%mgo 作燒結(jié)促進(jìn)劑，在 1300℃溫度燒結(jié)不同時(shí)間所獲得的熱膨脹曲線。由圖可以看出， 隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷的熱膨脹系數(shù)下降，負(fù)膨 脹率越來越大；1300℃下燒結(jié)8 小時(shí)的磷酸鋯陶瓷的 負(fù)膨脹最大，正膨脹系數(shù)最低；而在1300℃下燒結(jié)1 個(gè)小時(shí)的陶瓷之正膨脹系數(shù)表現(xiàn)為最大值。造成如圖 1、圖 2 結(jié)果的原因主要是磷酸鋯材料隨著燒成溫度的 升高，逐步向致密化深入之后，進(jìn)一步提高燒成溫度 或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，將使晶粒異常長(zhǎng)大，當(dāng)達(dá)到臨界尺 寸后，由于熱膨脹系數(shù)的各向異性，而產(chǎn)生微裂紋，溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)得越大，產(chǎn)生的微裂紋也 越大。這些微裂紋為各晶粒的膨脹提供了場(chǎng)地，晶粒膨脹被裂紋所消化吸收，因此表現(xiàn)出熱膨脹系數(shù)下降， 負(fù)膨脹百分率增大現(xiàn)象。故通過控制磷酸鋯材料的燒 結(jié)溫度與時(shí)間，可以調(diào)節(jié)磷酸鋯材料的熱膨脹系數(shù)。
2. 磷酸鋯的燒結(jié)性
純磷酸鋯在1600℃也不易燒結(jié)，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 1600℃以上磷酸鋯發(fā)生緩慢的分解，致密度下降。故磷酸鋯的燒結(jié)溫度控制在1600℃以下。降低磷酸鋯的燒結(jié)溫度主要是添加能形成磷酸鹽液相的金屬氧化物。 有ZnO、MgO、Nb2P5、Ta2O5、TiO2 等。若需提高材料的使用溫度，應(yīng)選擇能形成高熔點(diǎn)液相的金屬氧化物作燒結(jié)促進(jìn)劑，如 Ta2O5、TiO2。 磷酸鋯材料在1400℃以后，隨著溫度的升高，其晶粒也加速長(zhǎng)大，特別是在高溫期長(zhǎng)時(shí)間加熱，晶粒長(zhǎng)得更大，產(chǎn)生的微裂紋也越多，雖然其熱膨脹系數(shù)下降，但也帶來負(fù)面效果，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。如添加 TiO25wt% 的磷酸鋯材料在1600℃燒結(jié)30 分鐘，其抗 折強(qiáng)度只有50Mpa。
3.  磷酸鋯陶瓷
近來，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來越高。如納米粉的自蔓延制作技術(shù)、超細(xì)r —氧 化鐵粉的制作、高精度稀土冶煉等對(duì)承燒器具的要求。不僅要求具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，而且要 有較高的強(qiáng)度抵御熱應(yīng)力及粉體膨脹力對(duì)器具的破壞。 以往的低膨脹承燒器具強(qiáng)度較低，不能適用。磷酸鋯 陶瓷具有低熱膨脹，耐高溫、高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好 等優(yōu)良性能，有望在高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
4.  磷酸鋯復(fù)合陶瓷
4.1磷酸鋯、鋯英石復(fù)合陶瓷 鋯英石與磷酸鋯復(fù)合，一是SiO2 具有抑制磷酸鋯 晶粒生長(zhǎng)的效果；二是鋯英石與磷酸鋯不反應(yīng)，且鋯 英石屬于中熱膨脹系數(shù)的材料，熱膨脹系數(shù)為4.0× 10-6/℃；梯度不大，匹配性較好；三是鋯英石為工業(yè) 原料，價(jià)格便宜。 單獨(dú)燒成的鋯英石、磷酸鋯當(dāng)燒結(jié)至理論密度的 95%時(shí)，兩者的強(qiáng)度都為200Mpa。但兩者復(fù)合時(shí)，則 表現(xiàn)出較差的燒結(jié)性。日本名古屋大學(xué)的山井嚴(yán)等將 磷酸鋯與鋯英石按一定比例復(fù)合，并為了提高燒結(jié)程 度加入了MgO 或 TiO2 為燒結(jié)促進(jìn)劑。復(fù)合結(jié)果是：以 TiO2 為燒結(jié)促進(jìn)劑，當(dāng)鋯英石量為0 時(shí)，在 1500℃燒 成兩小時(shí)，其晶粒仍細(xì)小均勻，且強(qiáng)度高，但在1400～ 1500℃燒成16 小時(shí)，則晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)度下降；當(dāng)鋯英 石含量為25% 時(shí)，在 1400℃燒成16 小時(shí)，晶粒仍然細(xì) 小均勻，強(qiáng)度仍然保持200Mpa，熱膨脹系數(shù)為2.0× 10-6/℃，1500℃時(shí)其晶粒則銷大；當(dāng)鋯英石含量為50% 時(shí)，在 1500℃燒成16 小時(shí)，其晶粒細(xì)小，強(qiáng)度保持 200Mpa，熱膨脹系數(shù)為2.7× 10-6/℃。
4.2 磷酸鋯一氧化鋁復(fù)合陶瓷 以 a-Al2O3 制作的氧化鋁陶瓷，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、致密，是抗鉛腐蝕的優(yōu)秀材質(zhì)。一直作為壓電陶瓷生產(chǎn)的承燒坩堝材質(zhì)得以應(yīng)用，但氧化鋁熱膨脹系數(shù)較大 （a=8.2 × 10-6/℃）、 熱穩(wěn)定性差，使用壽命僅為幾次， 提高了壓電陶瓷的生產(chǎn)成本。而磷酸鋯是高強(qiáng)度高溫低膨脹材料，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與氧化鋁復(fù)合可改善熱穩(wěn)定性，提高壓電陶瓷生產(chǎn)承燒坩堝的使用壽命。“抗熱震抗強(qiáng) 腐蝕坩堝的研制”就是以氧化鋁為基相，采用復(fù)相技術(shù)，加入磷酸鋯低膨脹相及中間過渡相，提高材料的 抗熱震性，使氧化鋁一磷酸鋯復(fù)相材料坩堝不僅穩(wěn)定 抗腐蝕，同時(shí)具有良好的抗熱震性，提高了使用壽命。 其性能數(shù)據(jù)是：抗折強(qiáng)度185Mpa；抗熱震性：△ Tmax ≥ 300℃不裂；使用次數(shù)≥20 次。