纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的效果
Al2O3陶瓷是一种高性能的结构陶瓷,具有优良的高温强度抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性等,并且易于烧结、价格低廉,因而获得了广泛应用。但是,由于氧化铝陶瓷的室温强度较低、断裂韧度较差,使其应用范围受到一定限制。
以宣城晶瑞新材料有限公司生产的99.99%氧化铝粉体（VK-L30,VK-L100,VK-L200,VK-L300）为基体，添加宣城瑞新材料有限公司生产的纳米ZrO2粉体(VK-R30, VK-R50)，主晶相为单斜相，加入Y2O3 作为稳定剂 ，添加MgO作为助烧剂。按纳米ZrO2的不同添加量分别进行配料。将纳米粉体分散后,把所有混合液装入球磨罐中进行高能球磨, 然后将球磨后的复合料在真空干燥箱中干燥,并将干燥后的复合粉料过筛。将粉料装入石墨磨具中进行热压烧结对烧结后的试样进行切片、粗磨、细磨、研磨和抛光,制备成标准试样。
由试验结果可以看出,在氧化铝基体（VK-L30,VK-L100,VK-L200,VK-L300）中添加适量的纳米四方相氧化锆(VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5),在适当的烧结工艺下，可以明显提高基体材料的抗弯强度,其值比纯氧化铝陶瓷提高2~3倍。由于加入纳米氧化锆(VK-R30, VK-R50)后,纳米颗粒对基体晶界的钉扎作用意制了基体氧化铝晶粒的长大,根据Hall2Pach理论,材料的抗弯强度与晶粒尺寸的平方根成反比,因此使材料抗弯强度大幅提高。此外,纳米颗粒对基体晶界的钉扎作用可以显著降低基体晶粒异常长大的发生,使材料的微观结构更加均匀,有利于材料中临界缺陷尺寸的减小,从而提高材料的抗弯强度。随着纳米氧化锆(VK-R30, VK-R50)含量的增大，这几种作用逐步加强,材料的抗弯强度随之增大;但随着纳米氧化锆含量继续增大，由于纳米粉体的自由表面能较大,致使纳米粉体团聚加剧,影响了材料的烧结致密度,使复合材料致密度下降,造成材料的抗弯强度随之下降。陶瓷材料在烧结温度为1600℃时获得的断裂韧度可达6. 13MPa m/2,比纯Al2O3陶瓷提高了一倍。
纳米氧化锆(VK-R30, VK-R50,VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5)可以明显意制基体氧化铝晶粒的生长，这是材料的主要增强机制。
纳米3Y- ZrO2(VK-R30Y3, VK-R50Y3)的含量在15wt %时,材料的综合力学性能(抗弯强度766174MPa ,断裂韧度6113MPa m'2 ,维氏硬度18132GPa) ,远远超过了单相氧化铝材料的力学性能,表明加入纳米氧化锆(VK-R30, VK-R50,VK-R30Y3, VK-R50Y3,VK-R30Y5, VK-R50Y5)可使材料的力学性能大幅提高。
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