磷酸锆钾陶瓷的力学与热学性能研究

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随着科学技术的发展,对陶瓷材料的性能要求越来越严苛,抗热震性能较差是陶瓷材料的一大弱点,而低膨胀陶瓷材料在耐热冲击性能方面有着优异的性能。NZP(NaZr2(PO4)3的简称)族磷酸盐陶瓷是一种新型的低膨胀陶瓷材料,拥有较低的热膨胀系数、良好的抗热冲击性能、优良的快离子导电性是其特有的优势。KZP(KZr2(PO4)3的简称)陶瓷体系是NZP族磷酸盐陶瓷的一类衍生物,但其单独烧结困难,因此研究其烧结性能、热力学性能和抗热冲击性有着重要的意义。目前,科研工作者们对KZP族磷酸盐陶瓷已经做了大量研究,但尚有许多工作要做。一方面,可以通过改变添加剂的种类和数量使其同时具有较低的热膨胀系数和较好的力学性能;另一方面,可以运用已有的知识和数据进行掺杂设计出满足不同使用要求的磷酸盐陶瓷材料。  本文以MgO作为烧结助剂,K2CO3、NH4H2PO4、ZrO2为主要原料,通过固相合成法制备了KZr2(PO4)3(KZP)陶粉体并通过无压烧结制成了KZP陶瓷试样。本文采用Archimedes排水法、三点抗弯法、热膨胀法、循环水冷法、X射线衍射分析、扫描电镜分析等分析手段和方法,研究了烧结助剂的添加量、烧结温度、保温时间对KZP陶瓷试样烧结性能、热学与力学性能的影响。研究表明:以MgO为烧结助剂的KZP陶瓷试样的烧结温度以1200℃~1300℃为宜,当温度过高时会产生较多微裂纹,抗弯强度会下降,热膨胀系数会升高;烧结助剂MgO的添加量以以2%~5%为佳,此时相对密度可达95%以上,烧结致密性良好,其中添加5%MgO作为烧结助剂时,相对密度可达96.3%;保温时间以1h~2h为宜,继续延长保温时间,会导致晶粒生长,降低试样的体积密度和抗弯强度。其中以5%MgO作为烧结助剂时,保温时间为2h时,试样就可以达到较好的力学性能,其抗弯强度可以达到120.22MPa。利用循环水冷法对KZP陶瓷试样进行抗热震性能研究和分析,结果表明:添加5%MgO作为烧结助剂在1200℃烧结的KZP陶瓷试样具有较好的烧结性能和抗热冲击性能,在△θ=800℃下热冲击后的抗热震性指数为84.47。  本文通过调节纳米Al2O3和SiC的添加量,研究KZP陶瓷试样的热学与力学性能。研究表明:添加纳米Al2O3或SiC均可有效提高KZP陶瓷的抗弯强度,分别可从116.42MPa升至130.52MPa和143.88MPa,抗热震指数分别为79.20、66.76;添加0.2%纳米Al2O3可使平均线性热膨胀系数下降4.35%,达到0.66×10-6℃-1,而0.2%纳米SiC的加入会使KZP陶瓷的热膨胀系数有所上升。
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