Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3层状复合材料的制备与性能研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3层状复合材料的制备与性能研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：本文采用滚磨法制备了ZTA、ca-zro2料浆， 以Al2O3为基板，在基板上进行双面喷涂料浆，制备Ca-ZrO2/zta/al2o3层状复合材料。Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3层状复合材料在1300~1400℃条件下保温2 h制得试样。用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对试样的相组成和显微结构进行分析。结果表明，试样呈层状结构，其密度和强度随烧成温度升高而增加，抗热震性随烧成温度升高而降低。在1300℃条件下，烧成的试样可承受30次以上的热循环测试，此时形成的微裂纹网络可以改善试样的抗热震性。

关键词：多层复合材料；Ca-ZrO2；喷涂；抗热震性

1 引 言

电子陶瓷材料是以电、磁、光、热和力学等性能及相互转换为主要特征，在电子、通讯、自动控制、信息计算机、激光、医疗、机械、汽车、航空、航天、核技术和生物技术等众多高技术领域中成为关键材料。其市场需求量大，产业化前景广阔，是一类重要的、国际竞争激烈的高技术新材料，有着显著的社会效益和可观的经济效益[1~4]。由于小型化和一致化的要求，大多数电子陶瓷在烧成过程中会用到承烧板，电子陶瓷的迅速发展给承烧板带来了巨大的市场。

目前，市面上主要有莫来石多孔承烧板[5]、钛酸铝刚玉承烧板[6]、刚玉―莫来石承烧板[7]、全氧化铝承烧板、全氧化锆承烧板[8]及氧化锆/氧化铝复合承烧板[9~10]。

田维[8]等以电熔氧化锆原料为基料，氧化钙、氧化钇为稳定剂，经电弧炉煅烧，再经球磨、振磨、干压或注浆成形，干燥后在1550~1650℃烧成，获得一种电子工业用氧化锆承烧板。

当前，电子陶瓷用氧化锆承烧板的发展趋势是向着轻质化和表面喷涂方向发展，主要有等离子喷涂氧化锆/氧化铝复合承烧板、涂覆氧化锆/氧化铝复合承烧板和喷涂氧化锆/氧化铝复合承烧板。

苏伟强[10]等将氧化锆粉体放进专用设备的送粉装置里，然后送到喷枪喷嘴中；将氧化铝陶瓷基板装夹在专用工作台上；启动专用等离子设备，把气体送到喷枪中，点燃喷枪产生等离子焰流，在氧化铝陶瓷基板上进行熔射喷涂。涂覆氧化锆/氧化铝复合承烧板生产成本低，且重量轻，有节能降耗的效果。由于氧化锆和氧化铝结合性的差异，氧化锆涂层与刚玉氧化铝或刚玉莫来石基材的结合强度、分层均匀性等方面还有待提高。

本实验采用电熔钙稳定氧化锆，通过滚磨法制备了ZTA、Ca-ZrO2料浆，以Al2O3为基板，在基板上进行双面喷涂料浆制备Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3层状复合材料。

2 试验内容

2.1层状复合材料的制备

将适量的Ca-ZrO2粉和蒸馏水加入塑料罐中，并加入适量的分散剂，以氧化锆球作为研磨介质，球磨机的速度为60 r/min，球磨时间为6 h，然后加入PVA和消泡剂继续球磨1 h制成Ca-ZrO2料浆。按同样的工艺制备ZTA料浆，其中，满足ZrO2:Al2O3=15:85。

将Al2O3喷雾造粒粉双向干压成形，获得Al2O3基板，在其双面喷涂料浆，获得Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3层状复合材料，如图1所示。将制得的复合材料分别在1300 ℃、1350 ℃和1400 ℃下保温2 h。

2.2试样性能的测试方法

烧成后试样根据阿基米德原理，用北京赛多利斯（Satorius）精密天平有限公司的电子分析天平及YDK01型密度测定附件，测试试样的重量和体积密度。使用美国Instron5567型万能材料实验机测量试样的抗弯强度。采用三点抗弯法，测试夹具跨距，其值为30 mm，加载速度为0.5 mm/min。在1030 ℃下保温10 min后取出冷却至室温，循环测试至试样表面出现裂纹，以试样能承受的循环次数表征试样的抗热震性。

2.3试样的相组成和显微结构

采用荷兰Panalytical公司的Xpert PRO型X射线仪对试样断口界面结合处进行物相分析。

利用德国ZEISS公司EVO18 Special Edition型扫描电镜观察烧成后试样的断口形貌、各层厚度、界面结合情况。

3 结果分析与讨论

3.1界面的相组成和显微结构的分析

图2为Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料烧成后试样断口界面结合处的X射线衍射图。

由图2可见，不同温度条件下，Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料断口主要成分为Al2O3，ZrO2含量较少。仅出现不明显的四方相峰，单斜相几乎没有出现。这是由于试样ZrO2涂层较薄，且在断口处ZrO2层有崩裂现象。图3为试样各层界面结合处的SEM图。

由图3可以看出，试样呈明显的层状结构，各层之间界限明显。氧化铝基板厚度为2.6mm，而ZTA层、氧化锆层的厚度则为150 μm左右，其厚度可控制在100~300 μm之间。

3.2试样性能的分析

图4为Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料在不同温度下烧成后，采用排水法测得的体积密度。由图4可知，材料的密度随烧成温度升高而不断增大。这是因为温度升高，颗粒之间相互连接增多，晶粒越来越紧密，气孔和晶界逐渐减少。因此，烧成温度越高，收缩越大，试样的密度也就越大。

图5为Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料在不同温度下烧成后，测得的抗弯强度曲线图。

图5可以看出，随着烧成温度的升高，试样的抗弯强度也显著升高。一方面，烧成温度提高，导致颗粒间的排列更为紧密，试样致密度提高，同时总体积收缩增大。另一方面，试样的烧成温度升高，试样中的晶粒长大，颗粒相互连接增多，空隙和晶界减少，气孔由连通状态变成孤立的小气孔。不同烧成温度下试样ZrO2涂层的SEM图如图6所示。Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料在1300℃、1350℃、1400℃烧成后的抗热震性能如表1所示。

Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3复合材料的热震测试条件为1030℃保温10min，然后在空气中自然冷却。由表1可以看出，随着烧成温度升高，其热循环次数减少，抗热震性能变差。1300℃烧成后，试样经30次1030℃到室温的热循环后，仍无裂纹出现，抗热震性能较好。烧成温度升高到1400℃，试样5次热循环后，涂层即随基板断裂。由图4可以看出，烧成温度提高，试样的密度增加。由图5可以看出，烧成温度提高，试样的强度同样有所提高。说明试样的抗热震性能随强度升高而降低。这是因为烧成温度低导致材料的致密度较低，试样颗粒之间存在大量的气孔、裂纹、空隙，如图7所示。

由图7可以看出，试样是一种疏松的材料，由抗热震[12~13]理论可知，材料的抗热震性能与其强度成反比。此时，材料在低温时形成的微裂纹网络有利于提高材料的抗热震性能。

4 结论

（1） 试样各层界面结合处仅含有少量四方相氧化锆，试样呈明显的层状结构，各层之间界限明显。

（2） 材料的密度和强度均随烧成温度的升高而有不同程度的增加。

（3） 1300℃烧成的Ca-ZrO2/ZTA/Al2O3试样能承受超过30次，随着烧成温度升高，试样的抗热震性反而下降，这是因为试样在烧成温度为1300℃时能形成较好的微裂纹网络。

参考文献

[1] 范福康,吴红忠.电子陶瓷材料发展现状、展望与思考[J].电子元

件与材料,2005(2):58-60.

[2] 祝成波,刘维平.电子陶瓷材料发展现状与开发趋势[J].现代技

术陶瓷,2006(1):35-39.

[3] 范福康.几种电子陶瓷材料的研究与思考[J].电子元件与材料,

2001(3):23-24.

[4] 石成利,刘国.电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势[J].

现代技术陶瓷, 2008(3): 11-16.

[5] 董高峰,卢存建,聂松杰.一种莫来石多孔窑用承烧板[P].专利号:

200920090629.

[6] 阮余华.钛酸铝刚玉承烧板[P]. 专利号：02246166.

[7] 刘鹏,周会俊,王龙光等. 一种高温抗蠕变刚玉-莫来石承烧板

及其制备方法[P].专利号:200810231096, 2009-05-06.

[8] 田维,陈捷,孙百忠.电子工业用氧化锆窑具及其制造方法[P].专

利号:00134569, 2001-05-09.

[9] 曹瑞国,曹淅莹.复合氧化锆承烧板[P].专利号:03233055.

[10] 苏伟强,邓伟良,吕喜鹏等.复合陶瓷承烧板的制造方法及复合

陶瓷承烧板[P].专利号: 200710027135，2007-10-03.

[11] 田维,欧明,姜知水.一种电子工业用氧化锆复合窑具及其制造

方法[P].专利号: 200810102225，2008-08-20.

[12] Wolfstieg U.; Macherauch E. Ursachen und Bewertung von

Eigenspannungen[J]. Chemie Ingenieur Technik, 1973, 45(11):

760-770.

[13] 华南工学院.陶瓷材料物理性能[M].北京:中国建工出版社,

1980, 75.