ZrO_2晶须增强多孔ZrO_2陶瓷基复合材料的制备和性能

学术论文

RESEARCH

ZrO2晶须增强多孔ZrO2陶瓷基复合材料的制备和性能

西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室 白龙腾 成来飞 殷小玮 李向明 张立同山东工业陶瓷设计研究院 高　芳 　　　 　　　 　　　 　　　

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Preparation and Properties of Porous ZrO2 Ceramic Matrix Composites Reinforced With ZrO2 Whisker

[摘要] 以ZrO（NO3）2·2H2O和四方ZrO2晶须为原料，采用醇-水溶液加热法并结合冷冻干燥法制备了多孔ZrO2(w)/ZrO2陶瓷基复合材料。研究了四方ZrO2

晶须对多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料相成分、微结构、热导率及抗压强度的影响。结果表明，ZrO2晶须可以有效抑制ZrO2由四方相转变为单斜相，当烧结温度为1 100℃时，多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料全部为四方相，其热导率远小于全部为单斜相的多孔ZrO2陶瓷，抗压强度明显大于多孔ZrO2陶瓷。

很大差异，与单斜、立方ZrO2相比，四方ZrO2具有低的热导率和热扩散系数，高刚性和耐磨性等特点，但四方ZrO2材料在制备过程中极易发生晶型转变，产生的大量裂纹会严重降低材料的强度。因此，制备单一稳定的四方ZrO2隔热材料成为ZrO2隔热材料研究的难点之一。

经ZrO2气凝胶[1-3]是以无机盐或金属醇盐为原料，溶胶、凝胶和干燥等步骤制备的轻质多孔纳米材料，将材料低温焙烧可得到四方ZrO2粉体。醇-水溶液加热法是一种较新的气凝胶制备方法[4]，可以制得粒径均匀该方法不需要添加分散剂和稳定剂，的高纯四方ZrO2[5]。

不需要调节pH值，且简单易行、成本低，产率较高。

向陶瓷中加入晶须是提高其抗压强度的一种有效途径。晶须是以单晶结构形式生长，尺寸细小的高纯度针状纤维材料，其结构完美，内部几乎无缺陷，强度和模量均接近晶体材料的理论值[6]，它的存在可减少缺陷生成和阻止裂纹扩展。四方ZrO2晶须除了具有ZrO2良好的性质之外，其特殊结构决定了作为新型复合材料增强体的优势。

迄今为止，有关采用ZrO2晶须制备隔热材料的报道较少，尚不清楚添加四方ZrO2晶须对多孔ZrO2陶瓷性能的影响规律。为了制备轻质四方ZrO2晶须增强本课题采用醇-水溶液加热法并结合冷ZrO2复合材料，

冻干燥法，以ZrO（NO3）·2H2O为原料，向原料中加入四2制备了ZrO2晶须增强多孔ZrO2复合材料方ZrO2晶须，

（ZrO2(w)/ZrO2），研究添加四方ZrO2晶须对多孔ZrO2陶瓷相成分、微结构及性能的影响规律。

关键词： ZrO2晶须　隔热材料　热导率　抗压

强度

[ABSTRACT] A ZrO2(w)/ZrO2 ceramic matrix com-posite is fabricated by using heating alcohol-aqueous solu-tion and freeze-drying met hod with ZrO(NO3)2·2H2O and tetragonal ZrO2 whisker as start materials. The effects of tetragonal ZrO2 whisker on the phase composition, micro-structure, thermal conductivity and compressive strength of porous ZrO2(w)/ZrO2 composite are investigated. The results indicate that ZrO2 whisker could restrain the transforma-tion of ZrO2 from tetragonal to monoclinic effectively. When the sintering temperature is 1 100℃, porous ZrO2(w)/ZrO2 composite is composed of tetragonal phase, and ZrO2 ceramic is composed of monoclinic phase. The thermal conductivity of porous ZrO2(w)/ZrO2 composite is far less than that of porous ZrO2 ceramic. And the compressive strength of porous ZrO2(w)/ZrO2 composite is much higher than that of porous ZrO2 ceramic.

Keywords: ZrO2 whisker Insulation material Thermal conductivity Compressive strength

随着航空航天技术的发展，飞行器热结构用轻质隔热材料日益受到关注。在轻质、耐高温、抗热震、热化学稳定性好的前提条件下，要求轻质隔热材料具有一定的强度。ZrO2具有优良的热学、机械、光学和电学等性质，广泛应用于隔热防护、刀具、发动机部件和燃料电池等领域。不同晶型结构的ZrO2的热物理性质存在

1　试验方法

1.1　粉体与坯体的制备

将10g ZrO（NO3）·2H2O（来自北京化学试剂公司）、2

150mL无水乙醇和5mL去离子水混合均匀后置于恒温水浴中回流，在40℃下保温直至形成白色凝胶；将凝胶置于冷冻干燥机中冷冻干燥，得到气凝胶粉体，称为ZrO2粉体前驱体。采用相同的工艺方法，向上述原料混合溶液中加入0.8g表面活性剂土温80（POLYSOR-BATE80，天津化学试剂六厂）和4.5g ZrO2晶须（四方相，

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航空制造技术·2010 年第 11 期

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晶须长径比为30，山东工业陶瓷设计研究院，晶须形貌的SEM照片见图1），置于恒温水浴中回流，在40℃下保温直至形成白色凝胶；将凝胶置于冷冻干燥机中冷冻干燥，即可得到ZrO2(w)/ZrO2粉体前驱体。

将经过以上2种方式制备的粉体前驱体以1℃/min的升温速率升温至500℃，焙烧3h，随后将焙烧后的粉体在100MPa压力下模压成坯体，试样尺寸为φ16mm×3mm。1.2　烧结工艺

采用同步热分析仪（STA 409C，NETZSCH，德国）对上述粉体前驱体进行差热（DTA）和热重（TG）分析。根据DTA-TG分析曲线确定坯体相应的烧结工艺参数。将坯体按3℃/min的速率升温至500℃后保温3h，随后以5℃/min的速率升温至最高温度Tmax后保温5h，得到多孔ZrO2陶瓷和多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料。其中，多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料中晶须的体积分数为49%。

驱体中的物理吸附水被脱出，表现为DTA曲线中出现一个明显的吸热峰；当温度升高至255.7℃时，粉体前驱体中硝酸根大量分解，DTA曲线出现了一个明显的放热峰；随着温度继续升高，DTA曲线中出现了435.1℃的放热峰和1 204.5℃的吸热峰，这分别是由无定形相转变为四方ZrO2以及四方相转变为单斜ZrO2造成的[5]，与XRD的分析结果较为一致。前驱体在435.1℃和

0.40.2差热DTA/（μV·mg-1）

0-0.2

435.1℃

-0.4

60

-0.6

255.7℃200

400

600

TG800

50

1 0001 2001 400

70

热重TG/%

DTA

1 204.5℃

9080

150.3℃

100

温度/℃

图2　ZrO2粉体前驱体的DTA-TG曲线

Fig.2　DTA-TG patterns of ZrO2 powder precursor

图1　四方ZrO2晶须的显微照片

Fig.1　SEM micrographs of tetragonal ZrO2

whisker

1.3　性能测试及表征

采用扫描电子显微镜（S-2700，Hitachi，日本）观察多孔ZrO2陶瓷材料和多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料的显微形貌。采用X射线衍射仪（X’Pert Pro，Philips，荷兰）

Tmax=1 100℃，对这2种材料在不同烧结温度（1 200℃，1 300℃，1 400℃）下的晶相结构进行分析。采用阿基

米德排水法测试材料的开气孔率和体积密度；采用压汞仪（Poremaster 33，Quantachrome，美国）测定材料的孔径分布；采用热物理性能测试仪（TPS1500，Hot Disk，瑞典）测定材料的热物理性能；采用万能试验机（SANS，CMT 4304，中国）测定材料的抗压强度。试样尺寸为φ20mm×20mm，加载速率为1.5MPa/s。

1 204.5℃左右分别发生了晶型转变，因此采用的坯体烧

结工艺为：500℃焙烧温度下保温3h，1 100~1 400℃焙烧温度下保温5h。

2.2　添 …… 此处隐藏：9394字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……