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氧化锆陶瓷弯曲强度的尺寸效应

出处:氧化锆陶瓷 人气:发表时间:2017-11-23 13:45:53
  随着微机电系统的发展,微型元器件的需求与日俱增,微成型制品一次成型,无需机械加工或只需微量加工,尺寸精度高,易于实现生产自动化。由于陶瓷材料具备高硬度、高强度、抗腐蚀、耐磨损等优点,在微成型领域,陶瓷材料得到越来越多的应用,通常材料的性能与其尺寸有关,特别是当零件尺寸减小到一定程度(如亚微米级),材料会出现尺寸效应[1-2]。
陶瓷材料是通过粉末烧结而成的,因此不可避免地存在气孔等缺陷,其力学性能与材料内部的气孔密切相关。陶瓷材料的强度会随着气孔率的增大显著的下降[3-5],有研究表明,氧化铝陶瓷内部气孔率增大5%的过程中,氧化铝拉伸强度降低25%[6],气孔率从0%增至30%,其断裂强度从700 MPa减小至100 MPa[7],Si3N4陶瓷材料内部气孔率从36.4%增至57.6%,其弯曲强度从235.1 MPa减小至108.3 MPa[8]。气孔是烧结过程中材料中的气体受到阻碍难以从材料中排除而“遗留”在材料中产生的,我们知道陶瓷的烧结气孔排除与毛坯尺寸大小相关,因此,本文通过测试研究不同厚度陶瓷片烧结后的强度探讨尺寸对性能的影响。
实验采用3YSZ陶瓷粉末(3mol% Y2O3稳定的ZrO2,Zr(Hf)O2≥94%,广东东方锆业科技股份有限公司),通过流延方法制备氧化锆薄片,分别将流延薄片依次垫层成为不同厚度的片,将叠加好的6种不同厚度的流延片放入塑料包装袋抽真空,然后置入温等静压机(M250-60,浙江德龙科教设备有限公司)中,在70 ℃和20 MPa的条件下进行压制,压制时间为2 h。压制完成后,将不同厚度的流延片放在切片机上,切成长度统一为50 mm,宽度为6 mm的样品。将切好的6种不同厚度的样品条埋在氧化铝粉末中,在300 ℃缓慢脱脂,脱脂总时间为50 h,脱脂后的胚体放在高温炉中,在1520 ℃烧结3 h。用千分尺测量烧结后样品条的尺寸。将烧结好的样品条进行边缘抛光处理,抛光后的样品条放在万能材料试验机(Y系列,德国zwick)上进行三点弯曲强度测试,实验中跨距固定为30 mm,测试后获取样品的弯曲强度数据。采用阿基米德排水法测量样品的密度(测量中样品重量的测量精度为0.0001 g),在SEM(Nova NanoSEM 450,荷兰FEI公司)下观察样品的表面形貌和断口形貌。
通过对6种厚度尺寸不同且在微米级别的3YSZ陶瓷片三点弯曲强度的测量,发现当厚度降低到一定尺寸以后,样品的弯曲强度随着厚度尺寸的减小而增大,氧化锆陶瓷的弯曲强度表现出明显的尺寸效应。对样品进行密度测量和显微结构分析,发现随着样品厚度减小到一定尺寸,烧结密度增大,内部缺陷含量减少。内部缺陷含量的减少是导致氧化锆陶瓷弯曲强度的尺寸效应的原因。
 
此文关键字:陶瓷棒,氧化锆陶瓷
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