氧化铈锆/磷酸铈（Ce-Zr02/CeP04）可加工陶瓷性能与加工损伤

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

   表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。

表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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