彩色无铪氧化锆陶瓷的制备和性能研究

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氧化锆陶瓷具有良好的力学性能、抗腐蚀性能以及生物相容性而广泛应用在人们的日常生活和工业生产的很多领域。与此同时铪在众多新兴高科技领域展现出良好的发展前景,需求量不断增长且铪只能从含锆矿物中进行分离,并且分离铪的同时伴随大量无铪锆产生。大量实验表明,铪锆性质相似但并不完全一致,所以在目前广泛使用的工业级锆并不分离铪的情况下,无铪氧化锆陶瓷的应用亟待研究。基于这些情况,本论文采用工业生产常用的固相法制备陶瓷粉体,采用无铪氧化锆作为基体,钴铝尖晶石作为色料,制备了一系列不同色料添加量和不同烧结温度的蓝色氧化锆陶瓷。在制备的陶瓷样品中,色料添加量为40wt%、烧结温度为1450℃的样品蓝度值达到了-31.72,同时样品维氏硬度为13.27 GPa,断裂韧性为5.4 MPa·m1/2。随着烧结温度升高,样品硬度降低,断裂韧性升高,在1550℃的烧结温度下分别为11.87 GPa、6.2 MPa·m1/2,同时样品b*值升高,为-26.67,只有在1550℃的高温烧结下样品显色能力稍差,其余陶瓷样品具备良好的光学和力学性能。为了进一步研究无铪氧化锆资源再利用的可能性,本文进一步系统研究了氧化铪含量对氧化锆基彩色陶瓷材料的影响规律。氧化铪和氧化锆会形成固溶体,少量的固溶使样品显现出和氧化锆相似的特性,没有对复相显色陶瓷样品的显色相构成影响,所以不影响光学性能。少量固溶的氧化铪也会参与氧化锆的t-m相变,并且不影响陶瓷物相结构。随着氧化锆中铪含量从0-6%的增加,样品的维氏硬度有3%左右的随机变化,断裂韧性变化仅0.1 MPa·m1/2左右,对力学性能的影响可以忽略不计。如果将分离铪产生的无铪锆应用于氧化锆彩色陶瓷既可以降低生产氧化锆陶瓷的原料成本,也可以更好地利用分离铪的副产物。蓝色是三基色之一,钴铝尖晶石蓝色颜料在彩色氧化锆陶瓷中具有广泛的应用价值。因此,实验结果表明无铪氧化锆在彩色陶瓷中具有广阔的应用前景。
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