ZrO2增韧Al2O3—La2O3/Y2O3陶瓷材料的力学性能和耐磨性能研究

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氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)由于具有高强度、高硬度、耐腐蚀、价格低廉等优点,在高温、机械、电子领域得到了广泛的应用。随着研究与应用的进一步发展,这种单一相强化、韧化氧化铝陶瓷的综合性能还是不能满足航空航天、交通运输等领域的需求。利用多元相协同强化ZTA复合陶瓷成为提高ZTA陶瓷断裂韧性和耐磨性能的重要研究和发展方向。  本文利用ZTA结构陶瓷的高耐磨性、高强度特征,结合稀土氧化物能促进复合陶瓷材料热压烧结的工艺特点,在材料组分和烧结工艺参数优化的基础上制备了ZTA基复合La2O3/Y2O3陶瓷材料;测量了该材料的力学性能参数;分析了La2O3/Y2O3含量对ZTA陶瓷材料摩擦特性和耐磨性能的影响。本文主要研究内容如下:  1.采用均匀混合、细化等手段制备了不同种类、不同含量的稀土掺杂的ZTA复合粉体。制定了粉体的制备工艺,采用XRD、SEM等检测手段对复合材料粉体进行了相组成、微观形貌等分析。  2.采用真空热压烧结工艺,以Al2O3为基体,ZrO2为增韧相,La2O3/Y2O3为烧结助剂,制备了一系列ZTA陶瓷材料;通过对烧结试样的力学性能检测和比较,获得最佳的组分含量配方和热压烧结工艺参数。最佳的组分含量配方为:ZrO220wt%,La2O3/Y2O34wt%;最佳的烧结工艺参数为:烧结温度1550℃,烧结压力30MPa,保温时间40 Min;试样最佳力学性能参数为:相对密度98.2%、维氏硬度17.3 GPa、抗弯强度445 MPa、断裂韧性7.6 MPa?m1/2。  3.采用XRD衍射,分析了稀土氧化物La2O3/Y2O3对ZTA材料相成分形成的影响。结果表明:ZTA复合La2O3/Y2O3陶瓷材料在烧结时化学性相容,不发生化学反应;La2O3/Y2O3能阻碍不稳定相m-ZrO2的形成,促进稳定相t-ZrO2的形成,继而促进ZTA的烧结制备,有效提高ZTA陶瓷材料的综合力学性能。  4.对不同La2O3/Y2O3含量的ZTA陶瓷试样进行摩擦磨损试验,研究了La2O3/Y2O3含量对ZTA陶瓷材料磨损率、平均摩擦系数、磨损微观形貌的影响。结果表明:La2O3/Y2O3含量为4wt%时,ZTA陶瓷试样磨损率和平均摩擦系数较低,磨损微观形貌裂纹少,气孔率低,致密度高,耐磨性好。
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