一、穩定劑對氧化鋯陶瓷的摻雜穩定的研究

單一穩定劑對摻雜穩定性的研究。常見氧化鋯陶瓷的穩定劑是稀土或堿土氧化物,而且只有離子半徑與Zr4+半徑相差小于40%的氧化物才能作為氧化鋯的穩定劑。其中較常用的是CaO、Y2O3、MgO 和CeO2等。目前穩定劑的穩定機理還不十分清楚,一般解釋為Y3+、Mg2+、Ce4+ 、Ca2+等穩定劑的陽離子在ZrO2中具有一足的溶解度,可以置換其中的Zr4+而形成置換型固溶體,阻礙四方晶型(t)向單斜晶型(m)的轉變,從而降低氧化鋯陶瓷相變的溫度,使 t-ZrO2亞穩至室溫。加入不同量的穩定劑可獲得相組成不同的氧化鋯陶瓷,若使部分t-ZrO2亞穩至室溫,就得到部分穩定氧化鋯,若使t-ZrO2全部亞穩至室溫,獲得僅含四方氧化鋯的多晶體;若繼續增加穩定劑的含量可使c-ZrO2亞穩至室溫,獲得c-ZrO2單相材料,即全穩定氧化鋯。

2.多種穩定劑對摻雜穩定性的影響。眾多研究表明,利用多種穩定劑的共同穩定作用可在一定程度上彌補相互間單獨穩定時的不足,除具有改善材料的燒結性能、材料的熱穩定性能、材料的力學性能和電性能外,還具有細化晶粒、改變相組成等作用。添加適量的CeO2到Y-TZP材料中,可以有效地抑制低溫老化現象,甚至使Y-TZP在100℃熱水中完全不發生性能老化,還可以抑制磨損中相變的發生。Sc2O3和CeO2共摻雜的氧化鋯陶瓷在熱處理達到1250~1550℃期間沒有顯示物相的轉變,在300~1100℃范圍內比YSZ有更高的電導率,比其他的Sc-ZrO2基電解質具有更好的長期穩定性。而加入的少量MgO 和CaO可以作Y-PSZ的良好助燒劑,它們的加入提高了低溫下t-ZrO2的穩定性,抑制了微晶的增長。盡管多種穩定劑對氧化鋯陶瓷的摻雜可以大大改善和提高材料的性能,但也使得材料的組成和結構趨于復雜化,引發了許多新的問題,如復合穩定劑的添加量、配比,以及添加方式等對氧化鋯陶瓷材料性能的影響,復合穩定劑的協同作用機理等,這也是科研工作者需要解決的問題。

二、氧化鋯晶粒納米化對氧化鋯陶瓷的穩定性的影響

熱力學理論認為由于單斜氧化鋯具有比四方氧化鋯大的表面能,隨著氧化鋯陶瓷粒徑的長大,單斜相與四方相結構之間的表面能差逐漸減少,當粒子長到一定尺寸時,四方氧化鋯可以在低溫下存在,并計算出了室溫下非束縛態的t-ZrO2臨界晶粒尺寸約為30nm。這一臨界尺寸的存在已被隨后的眾多實驗所證實,但是對于臨界尺寸的大小還存在爭論。

氧化鋯.png


2021-03-11

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