毕业设计开题报告-锆基陶瓷的制备及其性能研究

毕业设计（论文）开题报告题目微波法烧结锆基陶瓷及其性能研究专业名称应用化学班级学号12021316学生姓名葛旭升指导教师陈萍华填表日期2016年4月1日一、选题的依据及意义：选题的依据：众所周知，全球已经面临环境污染、气候异常、资源紧缺等严峻的问题，微波烧结作为一种新型的烧结技术，其清洁环保、节能高效的特性势必有利于改善上述问题，对微波加热技术的进一步的探索、开发、研究和推广已是刻不容缓。微波作为一种电磁波，其加热材料是依靠材料自身的介电损耗产生热量，材料不同其微波烧结特性也不同。Y-ZrO2在低温下是绝缘材料其微波耦合能力很弱，当温度高于400℃时才具有较好的微波耦合能力。因此更多的报道采用的混合微波加热的方式（辅助微波加热）制备Y-ZrO2，相比于微波加热，混合微波加热升温速率稳定，工艺容易控制，而且温度场要更均匀一些。而且所使用的辅助加热体SiC在高温下由于氧化等原因与微波的耦合能力减弱，高温下以ZrO2与微波的耦合作用为主[1]。目前有很多报道成功地制备了致密的（2～3mol%Y2O3）Y-ZrO2陶瓷，其晶粒尺寸也可以控制在纳米尺寸。但是目前还没有报道详细的研究微波烧结Y-ZrO2陶瓷的烧结特性，微波降低烧结温度及促进致密化的机理也没有提出系统合理的理论支撑。因此采用混合微波加热制备不同Y2O3含量的ZrO2，并研究其在微波烧结系统中的结构与物相、性能的变化，揭示微波烧结Y-ZrO2陶瓷的烧结机理[2]。随着科学技术的发展，材料需要在比较苛刻的环境下使用。工业上的应用对材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能要求也越来越严格。陶瓷材料具有优良的高强度、高硬度、高耐磨性和耐蚀性以及低膨胀系数和质量轻等金属材料难以匹敌的特点，广泛应用于各种材料科学领域。尤其是随着各种透明陶瓷、金属陶瓷、导电陶瓷等的开发应用，使得陶瓷材料发挥着越来越重要的作用[3]。在很长一段时间，陶瓷材料的力学性能是人们最为关注和研究最多的物理性能。其力学性能主要致力于：改善材料的韧性、强度（尤其是高温强度）。陶瓷的力学性能包括陶瓷弹性性能，硬度，强度，韧性等。1.陶瓷弹性模量与组成相的种类和分布、气孔及温度等的关系密切，而与材料中各相的晶粒大小及表面状态的关系不大，结构敏感性较小。2.硬度是也是陶瓷重要的力学性能参数之一。决定陶瓷材料硬度的因素有晶体结构，晶体取向，晶粒大小等。研究表明，陶瓷材料的硬度在大气中比在真空中的值小，而金属材料两者几乎没有区别，这是因为硬度与气氛的关系取决于压头和材料的磨损。在摩擦系数大的真空中的压痕，其周围的损伤波及到较远处，蚀坑扩展得大，在大气环境下硬度降低是因为气氛的作用，这个软化的范围大约在表面一下2-3微米处。3.陶瓷材料的强度，特别是用作高温结构材料的强度是材料力学性能的重要表征。影响陶瓷强度的因素有气孔、晶粒尺寸、温度等因素。气孔周围晶体的微缺陷比较复杂，一般来说，岁材料中气孔率的增加，强度明显下降；金属材料中颗粒细小形成了大量的晶界，这些晶界会阻碍位错的运动，是的材料的强度有所提高，而在陶瓷中晶粒细化后，材料中的晶粒数目大大增加，由于在晶界两侧的经历取向并不相同，裂纹移动至此往往受阻，不容易扩展，因此提高了材料的强度。4.陶瓷材料的断裂行为与材料中的塑性变形是密切相关的，作为在高温下使用的结构材料，塑性形变和蠕变特性（即韧性）是重要的性能判据。韧性包括塑性，延展性，塑性变形衡量方式。许多陶瓷材料存在脆性-延性转变温度，高温塑性并不全是位错滑移的作用，还包括有扩散，位错攀移，晶界滑移及蠕变的作用。陶瓷增韧可以通过控制材料显微结构和使裂纹钉扎、偏转、弯曲、弥散相颗粒及第二相桥联、应力诱导微裂纹、相变等方式来达到。蠕变是指在恒定应力的作用下，材料随时间的变化表现出缓慢和持续的形变过程。陶瓷蠕变的特点是材料的应变一般随时间的增加而逐渐增加，在常温下，陶瓷材料的塑性很小，几乎不发生蠕变，在高温下，材料的塑性有所增加，会发生不同程度的蠕变。对于陶瓷材料，发生蠕变的温度大约在材料熔点温度的一半左右。陶瓷材料的蠕变是晶内位错滑移和攀移及晶界滑动和迁移为多晶体陶瓷材料在高温下蠕变的主要方式。影响陶瓷蠕变的因素有应力，时间，温度，晶粒尺寸和形状，晶粒长大，微结构，晶界体积分数以及晶界上玻璃相的粘滞性等。氧化锆(ZrO2)是一种21世纪十分重要的结构材料和功能材料之一。自澳大利亚科学家Garvie在1975年首次发明相变增韧氧化锆陶瓷材料以来，氧化锆的开发与应用，更是引起各国学术界的高度重视，进一步的促进了其在科研领域的研究热潮[4]。意义：氧化锆陶瓷广泛的应用和优异的性能和原始氧化锆粉体的性能是分不开的。经过多年的发展，氧化锆的应用取得了快速的发展，尤其是高分散的纳米氧化锆粉体，因其优异的综合性能，在结构陶瓷及功能陶瓷领域具有更加广阔的应用前景。氧化锆粉体的制备方法有共沉淀法、水热法、微乳液法、电熔法和溶胶-凝胶法等[5]。ZrO2陶瓷具有敏感的电性能，是近几年来发展的新材料，主要应用于各种传感器、第三代燃料电池和高温发热体等。而且ZrO2材料高下具有导电性及晶体结构存在氧离子缺位的特性，可制成各种功能元件。二、国内外研究概况及发展趋势（文献综述）：由于Y-ZrO2陶瓷特殊的介电性能和广泛的应用，国内外对其微波烧结进行了很多研究。Y-ZrO2粉体低于400℃时与微波的耦合比较困难，当高于此温度才有较好的微波耦合能力。因此更多的报道采用辅助微波加热的方式制备Y-ZrO2陶瓷[6]，比如在加有SiC棒或者SiC板辅助加热元件多模腔微波常压混烧结炉。值得提出的是Goldstein采用直接微波烧结的方法制备Y-ZrO2陶瓷[7]。采用单模腔微波烧结炉会增加烧结困难。在样品微波耦合之前的温度段，SiC板，ZnO–MnO2–Al2O3板，SiC管等辅助加热体的使用延长了其加热时间，稳定了升温速率。对于在单模腔微波烧结炉采用直接微波加热物料是必须对样品进行预热处理或者安装可调节的虹膜确保其谐振腔模式。多种技术如热电偶，光学或红外测温仪和热成像相机等均被用于测定微波烧结过程的温度。由于实验过程和实验条件的多样性和复杂性增加了ZrO2微波烧结的特性的研究的困难。ZrO2在纯电场中的反应特性的获得目前很难实现。目前低Y2O3含量（2～3mol%）的ZrO2采用单模腔和多模腔微波烧结炉的制备现状如下：（1）单模腔由于单模腔微波加热非常短的烧结时间，使得其被广泛的用于纳米材料的制备和研究。但是当微波用于烧结时，其颗粒尺寸较小的优势也不太明显。Wilson和Kunz研究发现在单模腔微波烧结炉中加有SiC板辅助加热的条件下，必须在谐振腔或者安装可调节的耦合虹膜才能完成材料的烧结[8]。Tian在制备Y-ZrO2陶瓷时发现，样品必须经过前期的预处理（1150℃保温1h）以确保剩余的m-ZrO2完全转换为t-ZrO2。但是对于纳米ZrO2陶瓷和全稳定的ZrO2陶瓷可以不进行次预烧处理[9]。（2）多模腔在多模腔微波烧结炉中采用混合微波加热方式和较低的升温速率在一定烧结温度下可增加样品的最终的致密度和更小的晶粒尺寸。但是这些致密度都低于96%。有学者认为微波这种促进作用主要是源于在烧结的初始和中期，相比于表面扩散和晶界扩散，微波有利于体扩撒的进行。而且很多研究表明，当样品结构接近致密化时，一旦烧结温度高于1500℃时，微波场中的晶粒会迅速长大导致晶粒尺寸急速长大。但是在此过程中温度是由热电偶测定的，因此其测定的温度应该要比样品内部的温度低。Binner等人采用混合微波加热的方式制备致密的3mol%Y-PSZ。Chen和Wang采用混合微波烧结和常压烧结两步烧结的方法制备了致密度达99%的ZrO2陶瓷，而且最终的晶粒尺寸只有60-80nm左右[10]。Goldstein在没有对样品进行预处理的情况下，采用直接微波烧结的方法制备了致密无开裂的Y-ZrO2陶瓷，该样品的相组成为t-ZrO2和m-ZrO2[11]。由此可以得出不添加任何辅助加。但热体，在多模腔的微波烧结炉中，采用直接微波烧结可以制备致密的ZrO2陶瓷。但是在低温下（400～1000℃）阶段其升温速率很难控制，而且作者没有给出其最终的显微结构的变化。尽管目前日本Tosoh公司已经制备性能优异的Y-TZP粉体，但是常压制备的机理还存在很大的争议，仍需要进一步研究。目前对其机理的研究主要集中在对Zr4+扩散表观活化能，且估算的Y-CSZ的Zr4+扩散表观活化能是310KJ/mol。Bernard-GrangerandGuizard研究制备3Y-TZP陶瓷，发现当致密度由68%增加92%，晶粒尺寸由120nm增长到170nm时，其Zr4+扩散表观活化能从935KJ/mol降到310KJ/mol[12]。而且他指出Zr4+扩散表观活化能高达935KJ/mol的原因由于此时样品的致密度太低，晶粒太小，其扩散驱动力主要来源于点缺陷即蠕变反应中的界面反应。也就意味着晶粒表面的点缺陷的形成要比晶界处点缺陷的形成困难的多，而且在纳米结构中扩散间距太小也是影响其扩散的主要原因。Y-TZP在常压烧结过程的特殊现象就是高致密度抑制晶粒长大即迟疑晶粒生长现象。这主要由于在相转变过程中，位于晶粒晶界处Y3+的拖拽效应阻碍了其晶粒的长大。三、研究内容及方案[13]：1、氧化锆粉体的制备将一定量的硝酸锆和去离子水装于有恒压滴液漏斗、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，并置于预设好温度的水浴锅中，搅拌直至溶解完全；然后加入一定量表面活性剂及分散剂；再配制一定浓度的氨水溶液，以每３秒１滴的速度向三口烧瓶中滴加氨水溶液；滴加完毕后保温陈化一段时间；最后冷却至室温，用乙醇和去离子水洗涤、抽滤至pH为７左右，出料、烘干、煅烧，即得到要制备的氧化锆粉体。2、氧化锆陶瓷的烧制采用单轴压片机Φ30mm厚度为3~4mm的圆片，其成型压力为83MPa，保压时间为5min，其中不添加任何粘结剂。将成型后的坯体和保温结构一块放入2450MHz的多模腔微波烧结炉中，并通过调节入射功率控制其升温速率和烧结温度。所选用的烧结温度为1100℃～1550℃，保温时间为30min。以常压烧结为对照实验，其烧结制度为：升温速率2℃/min，烧结温度分别为1100℃～1600℃，保温时间120min，降温随炉冷。3、陶瓷表征测试与对比①体积密度②显微硬度③X射线衍射（XRD）④扫描电子显微镜（SEM）⑤与对照实验制备出的陶瓷表征对比四、目标、主要特色及工作进度：目标：制备出高性能氧化锆陶瓷，完成毕业论文。主要特色：利用微波加热的方式制备致密的无开裂的纯ZrO2陶瓷工作进度：1.查找相关的外文资料并选择翻译2015.12.23至2016.1.182.撰写开题报告、论文（设计）前期准备2015.12.23至2016.3.243.调查、研究、实验和撰写论文或设计2016.3.25至2016.6.44.论文或设计定稿2016.6.5至2016.6.135.主审教师评定论文（设计）2016.6.15至2016.6.206.学生论文（设计）答辩2015.6.20左右五、参考文献[1]李小燕,冯斌,周耀等.注凝成形制备氧化锆陶瓷刀[J].佛山陶瓷,2013,23(9):13-15[2]贾翃,逯福生,王向东等.国内氧化锆市场分析[J].中国金属通报,2012,18:22-23.[3]刘建设,王适.微波烧结技术在超硬材料制品中的应用探讨[J].金刚石与磨料磨具工程,2012,32(5):67-71[4]吴佳航,刘国军,张桂霞,等.纳米氧化锆粉体的制备与表征[J].大连工业大学学报,2015,34(6):476-479[5]陈浩.微波热解制备氧化锆纳米粉体的工艺及机理研究[D]:[硕士学位论文].郑州:郑州大学,2014[6]李远,汪建华,熊礼威,等.微波烧结陶瓷的研究进展[J].热处理技术与装备,2011,32(2):7-11[7]汪宏显.微波烧结在陶瓷中的应用[J].当代化工,2014,43(12):2624-2626[8]杜勇,黄金亮,顾永军,等.烧结方式对共沉淀法制备ZnNb2O6陶