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氧化铈锆/磷酸铈(Ce-Zr02/CeP04)可加工陶瓷性能与加工损伤

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发表时间:2019-04-12 15:08作者:九朋新材料

Ce-Zr02/CeP04可加工陶瓷性能与加工损伤

   摘要研究了加入CeP04对Ce-ZrO2如陶瓷性能与加工损伤的影响。通过计算Ce- Zr02和Ce一ZrO2/CeP04的韦伯模数与二者损伤对比观察,证实了加入CeP04后,材料弯蓝强度分布趋于一致,加工损伤明显减小,增加了材料实际应用中的安全性和可靠性,并且由于Ce-Zr02陶瓷加工时强度下降幅度大于Ce-Zt02CeP04,以加工后强度而言,二者相差不大。

   关键词  氧化锆磷酸铈可加工陶瓷加工损伤

  Ce一ZrO2/CeP04陶瓷是1998年美国RockweU科学中心研究报道的一类新型可加工陶瓷。主要具备以下特点:①良好的化学相容性;②高熔点;③形态相容性;④氧气气氛下的稳定性;⑤在水、C02甚至腐蚀环境下的稳定性;⑥界面结合很弱,便于加工时裂纹沿弱界面的形成和连接,使材料以晶粒规模去除形式为主,因此可以用传统对金属的加工方法和刀具进行加工,这一特性突破了陶瓷和金属在加工方法上的界限,给陶瓷材料的应用创造了新的生机。本文拟结合Ce-Zr02写Ce-Zr02/CeP04陶瓷的比较,对Ce-2r02 /CeP04陶瓷的性能及加工损伤进行研究,以期认识其加工损伤特点,以及对材料性能、结构的影响,为该类材料进一步的研究与应用奠定基础。

l  实验

   实验用Ce-ZrO2为含12mol%Ce02的超细粉,平均粒度0.06 um。CeP04为自行合成的料,经800℃煅烧去除结晶水后,平均粒度0.04um。按Ce-Zr02:CeP04=3:1(质量比)配料,球磨5天。干燥后,经干压、等静压,1 550℃烧结,保温2h。烧成后,将试片切成尺寸为25 mm×5mm×2.5 mm的试条,用三点弯曲法测弯曲强度。将试条表面抛光,平行放于载物台上,保证二者具有相同的切割条件,在垂直抛光面方向用金剐石刀具切割。用扫描电子显微镜(SEM)观察试样切割后抛光面上的损伤情况及自然断口形貌。

2结果与讨论

   1为试样三点弯曲强度的实验结果,Ce-ZrO2/CeP04的强度较Ce-ZrO2有所下降,但相差不大

且数据均一性更好。Ce-2r0 /Cep04陶瓷的韦伯模数较Ce-2I02陶瓷高得多,说明引入CeP04后,材料强度的分散性降低;由于平均强度和韦伯模数

的结合可用来表征材料在工程使用中的安全性和可靠性[纠,在强度差别不大的情况下,韦伯模数

的提高意味着材料使用可靠性的提高。

1试样三点弯曲强度实验结果    单位:MPa

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┃    No. ┃  1 ┃   2 ┃   3 ┃  4 ┃   5 ┃  6 ┃  7 ┃    8 ┃   9  ┃  10    a平均  ┃

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━---------------------

┃    cz     481 ┃ 509 ┃ 518 ┃ 534 ┃ 546┃559 ┃ 567┃ 572 ┃  594 ┃ 601  ┃ 548.1±36

┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━----------------------

┃  cnCP  ┃ 497 ┃ 514 ┃ 525 ┃ 533 ┃539 ┃543 ┃549 ┃ 555 ┃ 562  ┃ 571  ┃ 538.8±2l

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< cz : Ce-Zr02      CZ/CP: Ce-2r02 /CeP04以 下同 )

ZrO2裂纹扩展层变薄,加工损伤很小。这主要是因为Ce-ZrO2/PO4中存在弱界面,主裂纹沿晶界扩展时,可以偏转、分叉,产生许多微裂纹,因此耗散了主裂纹能量,阻止其向深层扩展,留下很浅的裂纹层,而不是穿晶扩展后留下较深的裂纹。

 Ce-Zr02中晶粒有崩断现象,而Ce-ZrO2 /CeP04中晶粒表面棱角分明,保持较完整。从材料断裂方式来看,加入前后,材料从以穿晶断裂为主变为以沿晶断裂为主。从材料加工去除形式来看,加工裂纹易沿晶界扩展,晶粒规模去除方式成为主导,而不是以晶粒碎屑去除为主。

用抛光处理后的状态来表征材料未经加工的状态,未经抛光处理表征材料加工后的状态。可以看出由加工损伤引起材料力学性能的下降,Ce-2r02较Ce-2r02/CeP04幅度大,这与上述微观结构分析情况有较好的吻合,且加工后二者强度相差不大。

   值得强调的是.本试验只是对Ce-2r02/CeP04进行初步研究,并没有通过改变晶粒尺寸、形貌、各组分相对含量、烧结温度、成型方法等手段来系统优化Ce-2102/CeP04材料的力学性能,因此弱界面的引入并不一定会使材料力学性能下降。Swanson等在电子显微镜下直接观察了粗晶粒Al2O3陶瓷沿晶断裂过程,并且断裂在显微水平上有不连续的现象,这使同材料沿晶断裂比穿晶断裂的韧性高了1倍。当然,引入弱结合面会使陶瓷加工前的抗弯强度下降,但是有弱结合面的陶瓷在加工时所施加工应力小,有许多微裂纹分散主裂纹而使加工后留下的裂纹很浅,从而使加工后的强度下降很小,有时还略有上升(可能是去除了表面固有缺陷)。而穿晶断裂的陶瓷因加工应力大,又是单裂纹扩展,所以在加工后会留下较深的裂纹,使强度有很大损伤。以加工后强度比较,引入弱结合面的陶瓷会更高,如图6所示[5]。综上所述,在不降低陶瓷材料力学性能的前提下,增加陶瓷可加工性是完全可行的。

3  结论

   虽然弱结合界面的引入使材料的强度下降,但通过进一步计算Ce-2r02和Ce-2r02/CeP04各自的韦伯模数与二者的损伤对比观察表明,加入CeP04后,材料更加均匀,强度分布更加趋于一致,并且加工损伤明显减小,增加了材料使用的安全性和可靠性。而且加工时,Ce-2r02强度下降幅度大于Ce-Zr02/CeP04,以加工后的强度而言,二者相差不大,这对工程应用更具实际意义。

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