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陶瓷材料

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氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷的主要成分及增韧原理

2024-04-07 精城特瓷

        氧化锆增韧氧化铝陶瓷也叫锆铝复合陶瓷或ZTA陶瓷,是在陶瓷配方中引入了氧化锆等成分,提高陶瓷韧性,让其在耐磨的同时也具有较强的抗冲击能力。因为ZTA陶瓷的这种特性,所以ZTA陶瓷衬板(NMC-ZTA)广泛用于常温环境下,输料量大、物料大、冲击力大的重磨损设备上作防磨内衬。

一、ZTA陶瓷的主要成分

        ZTA陶瓷的主要成分是Al₂O₃、ZrO₂、Cr₂O₃、TiO₂以及ZnO,这些物质晶格相似,在烧结过程中与Al₂O₃形成固熔体,起到细化晶粒,促进烧结和提高断裂韧性的作用,ZTA陶瓷的断裂韧性KIC≥5.5MPa•m1/2。
 

二、增韧原理

        1. 应力诱导相变增韧。氧化锆在特定条件下会发生相变,从单斜晶系转变为亚稳态的四方晶型。这种相变在受到外应力时发生,导致体积膨胀,从而阻止裂纹扩展。
        2. 微裂纹增韧。在ZTA陶瓷中,氧化锆的添加会导致基体中形成均匀分布的微裂纹。这些微裂纹增加了材料的断裂表面能,促使主裂纹分叉,阻碍裂纹的快速扩展,从而提高材料的韧性。
        3. 弥散增韧。通过在氧化铝基体中添加四方氧化锆和立方氧化锆,可以形成曲折的裂纹扩展路径,增加材料的断裂韧性。
        4. 压缩表面韧化。通过研磨处理,可以使表面层的氧化锆颗粒转变为单斜相,体积膨胀形成压缩表面层,从而抵消一部分外加拉应力,强化陶瓷。
        5. 氧化锆晶粒的存在能固定和强化氧化铝陶瓷的晶界,减弱裂纹的影响。氧化锆的弹性模量和热膨胀系数与氧化铝不同,当氧化锆填充在氧化铝晶界处时,会受到晶界的径向压应力,从而提高陶瓷的断裂韧性。
 

三、性能

        ZTA陶瓷的主要性能为耐磨损、抗冲击,具体性能指标如下:
项目 单位 指标
洛氏硬度 HRA ≥90
断裂韧性 MPa•m1/2 ≥5.5
体积密度 g/cm³ ≥4.15
抗弯强度 Mpa 300~800
抗压强度 Mpa 1200~3000
磨损体积 cm³ ≤0.01
耐酸碱性能 PH 3~12

  文/谢勇
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