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陶瓷材料

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氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷的主要成分及增韌原理

2024-04-07 精城特瓷

        氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷也叫鋯鋁復合陶瓷或ZTA陶瓷,是在陶瓷配方中引入了氧化鋯等成分,提高陶瓷韌性,讓其在耐磨的同時也具有較強的抗沖擊能力。因為ZTA陶瓷的這種特性,所以ZTA陶瓷襯板(NMC-ZTA)廣泛用于常溫環境下,輸料量大、物料大、沖擊力大的重磨損設備上作防磨內襯。

一、ZTA陶瓷的主要成分

        ZTA陶瓷的主要成分是Al?O?、ZrO?、Cr?O?、TiO?以及ZnO,這些物質晶格相似,在燒結過程中與Al?O?形成固熔體,起到細化晶粒,促進燒結和提高斷裂韌性的作用,ZTA陶瓷的斷裂韌性KIC≥5.5MPa•m1/2。
 

二、增韌原理

        1. 應力誘導相變增韌。氧化鋯在特定條件下會發生相變,從單斜晶系轉變為亞穩態的四方晶型。這種相變在受到外應力時發生,導致體積膨脹,從而阻止裂紋擴展。
        2. 微裂紋增韌。在ZTA陶瓷中,氧化鋯的添加會導致基體中形成均勻分布的微裂紋。這些微裂紋增加了材料的斷裂表面能,促使主裂紋分叉,阻礙裂紋的快速擴展,從而提高材料的韌性。
        3. 彌散增韌。通過在氧化鋁基體中添加四方氧化鋯和立方氧化鋯,可以形成曲折的裂紋擴展路徑,增加材料的斷裂韌性。
        4. 壓縮表面韌化。通過研磨處理,可以使表面層的氧化鋯顆粒轉變為單斜相,體積膨脹形成壓縮表面層,從而抵消一部分外加拉應力,強化陶瓷。
        5. 氧化鋯晶粒的存在能固定和強化氧化鋁陶瓷的晶界,減弱裂紋的影響。氧化鋯的彈性模量和熱膨脹系數與氧化鋁不同,當氧化鋯填充在氧化鋁晶界處時,會受到晶界的徑向壓應力,從而提高陶瓷的斷裂韌性。
 

三、性能

        ZTA陶瓷的主要性能為耐磨損、抗沖擊,具體性能指標如下:
項目 單位 指標
洛氏硬度 HRA ≥90
斷裂韌性 MPa•m1/2 ≥5.5
體積密度 g/cm³ ≥4.15
抗彎強度 Mpa 300~800
抗壓強度 Mpa 1200~3000
磨損體積 cm³ ≤0.01
耐酸堿性能 PH 3~12

??文/謝勇
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