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等离子喷涂用纳米氧化锆团聚粉末的制备研究摘要: 纳米陶瓷涂层在韧性、显微硬度、结合强度等方面均优于普通陶瓷涂层。高质量纳米喂料的制备是获得纳米涂层的前提与关键技术之一,喷雾干燥造粒法近年来已经显示了良好的应用前景,但仍然不能解决纳米粉末品质受影响和纳米粒子在烧结过程中纳米粒子的长大问题。本文旨在对纳米氧化锆粉末的性能、应用及其制备方法进行了概述。关键字: 纳米陶瓷,纳米氧化锆粉末,等离子喷涂 0引言随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家 Cahn 指出,纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米耐高温纳米粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性,通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等,使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平,使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响,为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米数量级( ~ 100nm )尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化,其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了块状材料所不具有的特殊的效应。具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能:极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能,可以显著降低材料的烧结温度、节能能源;使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性;可以从纳米材料的结构层次( l~100nm )上控制材料的成分和结构, 有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。另外,由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀,烧成收缩一致且晶粒均匀长大,那么颗粒越小产生的缺陷越小,所制备的材料的强度就相应越高,这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。要想获得纳米陶瓷,制备纳米团聚粉末是关键,纳米氧化锆团聚粉末就是其中一种。 1 氧化锆的性质与应用氧化锆(ZrO2(Y2O3) ) 也称 YSZ (即 Yttria Stabilized Zirconia ) 是一种硬度高、耐酸碱性好、导热系数小、线膨胀系数高的白色氧化物,其具有机械性能优良、抗高温性和耐腐蚀性优异、化学稳定性良好等优点[1]。氧化锆的三种晶型分别为立方相、四方相和单斜相;它们的晶体结构如图 所示。 氧化锆晶体结构示意图(a) 立方相; (b)四方相; (c) 单斜相氧化锆三种晶型之间的转变如下:单斜相在 1170 ℃时转变为四方相;四方相在 2370 ℃时向立方相转变;当温度达到 2700 ℃时由立方相向液相转变;理论上配位数为 8的四方相氧化锆和立方相氧化锆应该是稳定的,然而其晶体结构内部阳离子与阴离子的半径之比小于 ,原子之间的静电吸引力较小、排斥力大,体系的稳定性较差;因此在温度较低的环境中,四方相向单斜相转变;四方相氧化锆向单斜相氧化锆的转变为马氏体相变并伴随着体积膨胀,这一特点经常被材料增韧领域所应用[2,3] 。 Basu B 等在研究 Y-TZP/WC-Co 复合陶瓷材料的性能时发现, Y-TZP/WC-Co 复合陶瓷材料的静摩擦系数与 ZrO2 粉末的粒径有密切关系;采用拉曼光谱表征样品时发现,样品磨损区的 ZrO2 由四方相变为单斜相, 而且受磨损的表面上有微裂纹产[4]。 Chen RZ与 Tuan WH 的研究表明, Al2O 3-ZrO2-Ag 的强度高于 Al2O3 的原因为 ZrO2 和 Ag 能很好的阻止 Al2O3 颗粒的生长,而且 Al2O3-ZrO2-Ag 中的很多四方相 ZrO2 转可变为单斜相 ZrO2 ,从而提高了材料的韧[5]。四方相氧化锆转变为单斜相氧化锆时伴随着体积膨胀,这一特点虽然可用来增韧材料,但有时也会造成材料的基体开裂,抗热震性能下降;为了抑制氧化锆的相转变,经常在氧化锆中掺杂一些离子半径和 Zr4+ 相近的低价阳离子以取代晶体中 Zr4+ 的位置,形成置换型固溶体,以降低氧化锆晶体中氧离子的排斥力从而增加氧化锆晶体的稳定性 X [2]。立方相氧化锆中, Zr原子呈面心立方堆积,氧原子位于 Zr原子形成的四面体中心; Zr原子占据了 O 原子形成的八面体的一半,这种结构有利于 O 2-的扩散与迁移,从而促使大量氧原子空位的形成;因此氧化锆具有良好的离子导电性;正是因为这一特点氧化锆才成为制备传感器的首选材料[ 6-10 ]。Luo Zhian 等成功的制备了氧化锆传感器,并用扫描电镜对传感器的电极表面进行了表征分析,发现所制备的氧化锆传感器性能良好[11] 。 Zhang Ronghua 等制