《武汉工程大学学报》 2017年01期
59-63
出版日期：2017-03-29
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
琼脂糖凝胶注模成型3Y-ZrO2的制备及表征
1 实验部分1.1 实验仪器及原料陶瓷粉体为3Y-ZrO2气流粉体，平均粒径为0.8 μm（广东东方锆业有限公司）；琼脂糖粉末购于国药集团化学试剂有限公司，用作凝胶注模成型凝胶介质；柠檬酸钠用作陶瓷浆料的分散剂，氨水用来调节悬浮液PH均来源于国药集团化学试剂有限公司；所有原料均为分析纯. 实验所用仪器为：行星式球磨机（南京析科实验仪器研究所），循环水式真空泵（武汉科尔仪器设备有限公司），电热式鼓风干烘箱（上海新苗医疗器械制造公司），高温烧结炉（Nabertherm Industrial Furnace Ltd. ， Co. ）. 1.2 实验配方及制备实验配方如表1所示，其中固相体积分数通过式（1）计算：[φ(固)=mρmρ+V×100%] （1）式中：[ρ]表示陶瓷粉体的真密度，m为陶瓷粉体的质量，[V]表示蒸馏水的体积. 准确量取一定量的蒸馏水置入烧杯，准确称取一定量的3Y-ZrO2气流粉体，分4次加入蒸馏水中. 随着3Y-ZrO2气流粉体的加入，陶瓷浆料的黏度逐渐上升，在第3次加入粉体后，添加质量分数为0.8%~1.0%（相对于3Y-ZrO2粉末质量）的柠檬酸钠作分散剂，均匀搅拌. 由于静电效应和空间位阻，容易团聚的陶瓷粉体就会均匀的悬浮在水中，其黏度就会急剧下降. 待陶瓷粉体完全加入且搅拌数分钟后，滴加数滴氨水调节陶瓷浆料的pH至9~11左右，球磨搅拌均匀，将搅拌均匀后的陶瓷浆料用除气泡. 准确称取一定量的琼脂糖粉末（相对于3Y-ZrO2粉末质量的0.6%），加入一定量的蒸馏水，配成质量分数为4.5%的琼脂糖溶液. 将其加入陶瓷浆料中混合搅拌均匀. 将制备好的混合浆料置入密闭无孔模具内，然后放入90 ℃的烘箱内加热30 min后，再自然冷却到30 ℃左右，干燥数小时即可制成密实的陶瓷生坯. 干燥速率直接影响3Y-ZrO2的成型状态，速率过快容易发生开裂，速率过慢则不易成型加工. 本实验的干燥制度如下：生坯在湿度为90%的环境下干燥12 h~18 h，然后在室温条件下继续干燥12 h~15 h即得到表面不发生卷曲和开裂的3Y-ZrO2陶瓷生坯. 最后将3Y-ZrO2陶瓷生坯放入高温烧结炉，在1 550 ℃下烧结4 h即得3Y-ZrO2陶瓷. 1.3 测试与表征采用阿基米德排水法测试氧化锆陶瓷的密度；选用WDW-50万能材料试验机测试已抛光的，尺寸为40 mm×10 mm×10 mm样品的抗弯强度；采用日本理光D/MAX-IIIB型X射线衍射仪分析样品的物相组成，使用Cu靶Kα射线（λ=0.154 056 nm），仪器的测试电压为30 mV，扫描范围10 °~80 °，采用日本JEOL株式会社JSM-5510LV扫描电子显微镜测试样品的断口的显微结构. 2 结果与讨论2.1 固相体积分数对3Y-ZrO2生坯性能的影响凝胶注模成型中，固相体积分数的多少直接决定成型坯体的密度大小，材料性能的好坏，高固相体积分数可以减少坯体在干燥中的收缩和翘曲，但固相体积分数的提高也会影响流动性和浇铸性［16］. 一旦固相体积分数太高，其浆料的黏度急剧增加后，进入浆料内的气泡无法正常排出，材料的内部就会产生大量的缺陷. 图1为不同固相体积分数的3Y-ZrO2生坯的抗弯强度和相对密度对比. 由图1可知，在不影响流动性和浇铸性的前提下，生坯的相对密度和抗弯强度随着固相体积分数的增加而提高，相对密度从47.8%提高到57.2%，抗弯强度从0.31 MPa提高到0.76 MPa，其中以固相体积分数为56%的样品综合指标较优. 实验中发现：当浆料的固相体积分数超过56%的时候，体系内的黏度急剧增加，无法凝胶注模成型. 2.2 3Y-ZrO2陶瓷的物相图2为不同固相体积分数3Y-ZrO2生坯在1 550 ℃下烧结样品的XRD图谱. 由图2可以看出，烧结制得的3Y-ZrO2陶瓷主要晶型为四方相，单斜相3Y-ZrO2均有少量存在. 其主要原因在于陶瓷浆料制备过程中添加了柠檬酸钠作为分散剂，分散剂所带的Na离子会与3Y-ZrO2粉体中的氧化钇反应，使得样品中的部分氧化钇以非晶相存在，致使3Y-ZrO2烧结样品不能全部形成稳定的四方相. 2.3 3Y-ZrO2陶瓷断口的显微结构图3是3Y-ZrO2陶瓷断口的显微结构图. 从图3中可以发现，所有的样品烧结后结构均匀，晶粒尺寸较为一致，随着固相体积分数的提高，气孔的数量减少，其尺寸不断缩小. 其中图3（a）气孔较多且尺寸较大，图3（d）样品中的气孔最少，且尺寸最小. 由此可以看出，生坯中固相体积分数的增加对3Y-ZrO2陶瓷的显微结构气孔数量及尺寸有较大影响. 2.4 3Y-ZrO2陶瓷的密度及其抗弯强度图4为3Y-ZrO2陶瓷的密度及其抗弯强度. 如图4所示，随着生坯固相体积分数的提高，3Y-ZrO2烧结样品的密度及其抗弯强度也在不断提高. 固相体积分数56%的样品密度和抗弯强度最大，分别为5.81 g/cm3和427.3 MPa. 由显微结构分析可以知道，生坯中固相体积分数的提高，烧结样品内的气孔数量及尺寸变小，所以其密度和抗弯强度增加而且由于单斜相3Y-ZrO2的存在也降低了烧结体样品的力学性能. 综上可以看出，凝胶注模成型制备3Y-ZrO2陶瓷的过程中，如何有效提高生坯中的固相体积分数至关重要. 3 结 语利用琼脂糖来凝胶注模成型制备3Y-ZrO2陶瓷主要探讨了固相体积分数变化对生坯性能及对3Y-ZrO2陶瓷性能的影响，得出以下结论：1） 利用琼脂糖凝胶注模成形能够制备出固相体积分数为47%~56%的3Y-ZrO2陶瓷生坯，其相对密度与抗弯强度最高值分别为57.3%和0.76 MPa. 2） 随着生坯中固相体积分数的提高，烧结制备的3Y-ZrO2陶瓷的密度和抗弯强度也逐渐提高，其中固相体积分数56%的样品，密度达5.81 g/cm3，强度达427.3 MPa，晶粒尺寸均匀，结构致密，几乎没有气孔.