【正文】 變點時，就將發(fā)生四方 單斜的晶形轉變，并伴隨 3%5%的體積膨脹。氧化鋯的粒度不能太小，太小則不能發(fā)生相轉變；也不能太大，太大則會引發(fā)可增長的大裂紋。如果此時有一個裂縫在材料中擴展，裂縫經(jīng)過之處，尤其是裂縫尖端，會有很大的應力產(chǎn)生。這樣對材料就進行了增韌。表面層中基體對氧化鋯晶粒的壓迫不如體相中那么強，于是表面附近的氧化鋯容易發(fā)生相轉變。如果壓縮應力深度大于可增長臨界裂縫的深度，相比于制品厚度又很小，材料的增韌就達到最佳狀態(tài)。 （ 2）細小晶粒完全 t ZrO2相（四方氧化鋯多晶 ,TZP） 。 m 2/1 ） （ MPa裂紋偏轉方向與納米顆粒和基體間熱膨脹系數(shù)的相對大小有關系。即裂紋擴展過程中遇上晶須時，裂紋有可能發(fā)生穿晶破壞，也有可能發(fā)生互鎖現(xiàn)象，即裂紋繞過晶須并形成摩擦橋。由于 R曲線上某點處切線的斜率 代表材料此時的強度，納米復相陶瓷 R曲線在短裂紋擴展長度上的陡然上升可以使其強度得到明顯提高。當裂紋擴展到陶瓷 /金屬界面時，由于延性金屬顆粒和脆性基體的變形能力不同，引起裂紋局部鈍化，某些裂紋段被迫穿過粒子，而形成被拉長的金屬顆粒橋聯(lián)。使用長徑比高的晶須增韌聚合物基復合材料，晶須對增韌主要貢獻就是來源于裂紋擴展過程中晶須拔出所消耗的能量。a 組織的細微化作用，抑制晶粒成長和異常晶粒的長大； b 殘余應力的產(chǎn)生使晶粒內破壞成為主要形式； c 控制彈性模量 E和熱膨脹系數(shù) ? 等來改善強度和韌性等； d 晶內 納米粒子使基體顆粒內部形成次界面，并同晶界納米相一樣具有釘扎位錯的作用。 氧化鋯的制備 氧化鋯的制備進展 （ 1）中和沉淀法 中和沉淀法也稱化學共沉淀，是以適當?shù)膲A溶液加入到穩(wěn)定劑的可溶性鹽與鋯鹽的混合溶液中，控制 pH值為 8— 9，形成共沉淀析出氫氧化鋯凝膠，通過過濾、干燥、熱處理 (600— 900℃ )得到穩(wěn)定性氧化鋯粉體。但共沉淀過程難以控制，易形成凝聚包裹吸附雜質，固液分離和洗滌困難，煅燒時結塊嚴重，需粉碎處理，易造成二次污染。此方法制得的穩(wěn)定二氧化鋯雜質含量高，密度低。目前用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的方法主要 是電熔法。 （ 6）其他方法 除上述方法外，目前還有多種正在研究的方法，如微乳液法、水熱法、熱分解法、化學氣相沉積法 (CVD)和管理工作式工藝反應法等，也都是很有前途的新方法，但因設備和操作條件等較為繁雜，目前在生產(chǎn)中實施尚有一定的局限性。每一類方法又包括幾種具體的方法。 （ 1） 氣相法 直接利用氣體或通過各種手段將物質變成氣態(tài)使之發(fā)生物理變化或化學反應，在冷卻過程中凝聚而成納米氧化鋯微粒的方法，特點是粒徑可控，產(chǎn)物純度高，粒度分布窄，但一般需有特殊專用設備，設備成本高，操作條件苛刻，具體可包括化學氣相沉積法，化學氣相合成法，低溫氣相水解法，氣相置換法等等 。制備過程中納米粒子間因范德華力，分子表面張力作用易形成團聚體，可采用高分子分散劑的空間位阻作用防止其團聚 ，或以有機溶劑作為反應溶劑來降低分子表面張力。在各種制備方法中，化學共沉淀法以成本低、反應條件容易控制等優(yōu)點成為最常使用的方法之一，但濕化學法制備粉體的每個階段均有可能產(chǎn)生團聚，尤其是顆粒間由于羥基架橋作用和毛細管作用形成的硬團聚，將嚴重影響燒結后陶瓷的力學性能，故本實驗為避免硬團聚產(chǎn)生，擬采用無水乙醇為反應溶劑，在超聲波作用下制備粒度分布窄、分散性好的納米級 3YZrO2粉體。8H 2O g，與 Y(NO3)3結晶一起加熱溶 于無水乙醇中，配成 M 乙醇溶液，過濾去雜質； （ 3）將上述溶液分裝入分液漏斗中，以 80 滴 /min 速度滴入 2 M適當過量的氨水乙醇溶液中，保持 PH9，反應在 25 KHz 超聲波作用下進行，強力攪拌器攪拌至反應 結束； （ 4）反應完成后 ，將沉淀在抽濾裝置上減壓過濾，并用無水乙醇 反復洗滌三次，去凈陰離子； （ 5）將濾餅放入烘箱中 100℃ 烘干 10 小時，得到前驅體粉末； （ 6）將烘干后的前驅體研碎，放入馬福爐中，分別在 400℃ 、 600℃ 、 750℃ 、 900℃ 、1000℃ 煅燒 1小時，得到白色納米 3YZrO2粉體。 SPS 技術的主要特點是在壓實的顆粒樣品上施加了由特殊電源 產(chǎn)生的直流脈沖電流，并通過瞬時產(chǎn)生的放電等離子使被燒結體內部每個顆粒均勻自發(fā)熱并使顆粒表面活化，具有極高的熱效率 ，可以在相當短的時間內實現(xiàn)材料的快速致密燒結。 畢業(yè)設計（論文）說明書 22 圖 26 燒結后得到的試樣圖 納米氧 化鋯力學性能試驗 實驗設計 實驗方案： 將納米α Al2O3粉體作為第二相顆粒，分別以 3%、 5%、 10%、 15%、 20%、30%的體積百分比加入 3YZrO2造粒粉中，以純 造粒粉燒結的陶瓷試樣為對照組 ,觀察不同含納米 α Al2O3對陶瓷基體 性能的影響。3PL查閱資料可以得到氧化鋯粉體的性能參數(shù)：彎曲強度為 495MPa,斷裂韌性為 5MPa 177。 177。 177。 維氏硬度 993 829 （ Mpa） 177。 177。見圖 2 21212 圖 210 氧化鋯 、納米氧化鋯、納米復合陶瓷彎曲強度 圖 211 氧化鋯、納米氧化鋯、納米復合陶瓷斷裂韌性 畢業(yè)設計（論文）說明書 26 圖 212 氧化鋯、納米氧化鋯、納米復合陶瓷彎曲強度 由上面的三圖可以看出：納米氧化鋯陶瓷的力學性能較氧化鋯陶瓷的力學性能要好。 因此我們認為在本實驗條件下，以納米α Al2O3 作為增強補韌的第二相顆粒時，其填加 量體積百分數(shù)最好不超過 5%。m 1/2，可以滿足口腔修復材料需求。目前，在航空、航海、航天以及其它的工業(yè)部門中，越來越多地使用一些新型材料，特別是使用一些熱穩(wěn)定性好、熱強度高、耐腐蝕、抗磨損性能好的材料，例如不銹鋼、鈦合金、高溫合金等，這些材料給磨削加工帶來一定的困難，現(xiàn)在，國內外均在致力于改善這些難磨削材料的磨削加工性。 隨著計算機技術 (硬件、軟件 )和有限元原理的研究深入及其在各學科領 域應用的拓展，可以應用越來越多的先進技術 和方法對磨削過程中的溫度場進行數(shù)值模擬。 和 177。但是 結果表明，添加 5%α Al2O3納米 粉的陶瓷試樣力學性能最佳，添加納米粉超過 30%時，力學性能反而 明顯低于對照組。 177。 177。 177。 177。 177。.維氏硬度為 920MPa. 表 23 納米 Al2O3ZrO2(3Y)復合陶瓷性能 納米α Al2O3粉體含量（ vol%） 0 3% 5% 10% 15% 20% 30% 線收縮率（ %） 密度（ g/cm3） 表觀氣孔率（ %） 彎曲強度 （ Mpa） 177。圖 29為壓痕圖。試樣制成尺寸為 5 mm mm24 mm 的矩形標準試件，每組六個。 燒結過程大致為： ① 將純納米 3YZrO2粉體進 行冷等靜壓造粒，過 80目篩，備用； ② 將造粒后的納米 3YZrO2粉體 裝入φ ㎝的石墨模具中，在 SPS 設備上進行放電等離子燒結，升溫速度 600℃/min ，加壓 40 Mpa，納米 3YZrO2粉體燒結溫度 1300℃ ；保溫 2 min，冷卻； ③ 燒結后 得到試樣。目前的方法主要有：在納米材料中加入第二相物質，在燒結 過程中施加外力，利用快速燒結抑制納米顆粒生長，并由此發(fā)明了一些特種燒結方法，其中近幾年迅速發(fā)展起來的放電等離子燒結（ Spark plasma sintering ,SPS）是最引人注目的一種 。8H 2O） 分析純 上海化學試劑公司 三氧化二釔（ Y2O3） 高純試劑 北京北化精細化學品有限 責任公司（粉體的性能見表 22） 濃硝酸（ HNO3） 分析純 上?；瘜W試劑公司 濃氨水（ NH3 畢業(yè)設計（論文）說明書 19 本次實驗采用超聲波作用下共沉淀法制備納米 3YZrO2粉體 。 （ 3） 液相法 又稱濕化學法，是以均相溶液出發(fā)，通過各種途徑使溶質溶劑分離，溶質形成一定形狀和大小的顆粒，從而得到所需粉體前驅體的方法； 其它 新方法 制備納米 ZrO2 粉體的新技術新方法仍在不斷出現(xiàn)，如低溫強堿合 成法 ，超臨界合成法，乳液燃燒法等等。由 于液相法制備納米粉體所需要的設備比較容易得到 ,因此在實驗室中多采用液相法來制備納米粉體。所以畢業(yè)設計（論文）說明書 18 對二氧化鋯相穩(wěn)定相關理論進行研究，將成為今后國內外研究的方向。電熔法大都采用電加熱的推板窯或隧道窯。再將單斜相二氧化鋯根據(jù)需要按比例配入某種穩(wěn)定劑，混合均勻后進行第二次電熔，電熔好后驟冷，再經(jīng)破碎、熱處理便可制成穩(wěn)定的二氧化鋯。 （ 5）電熔法 以電熔法制取穩(wěn)定二氧化鋯的方法有一次電熔法和二次電熔 法兩種。 nH20 +2NH4C1 (21) Zr(OH)4這樣可以避免兩相不相容、分布不均勻，強度和韌性都比外來第二相增韌的同種材料高，利用這一點，可以進一步提高材 料的各種力學性能。隨著界面剪切應力增大，界面摩擦力大，拔出效應降低，當界面剪切應力足夠大時，作用在晶須上的剪切強度可以引起晶須斷裂而無拔出效應。同時晶須從基體中拔出會產(chǎn)生微裂紋來吸收更多的能量。一般情況下，延性粒子指的是金屬離子。在納米陶瓷中，由于納米顆粒尺寸很小，納米顆粒對于裂紋的橋連作用只能發(fā)生在裂紋尖端的局部小區(qū)域。裂紋擴展到達晶須時，被迫沿晶須偏轉，這意味著裂紋的前行路徑更長，裂紋尖端的應力強度減小，裂紋偏轉的角度越大，能量釋放率越低，增韌效果越好，斷裂韌性就提高。 m 2/1 ）（ MPa） c ZrO2 180 2～ 3 200～ 300 P S Z － － 6～ 8 600～ 800 T Z P － － 7～ 12 1000～ 2500 Al2 O3 4 500 5～ 8 500～ 1300 Si3 N4 5 600 6～ 7 700～ 900 Al2 TiO3 40 120 鋁鎂尖晶石 2 180 4～ 5 400～ 500 莫來石 150 4～ 5 400～ 500 堇青石 120 3 300 納米陶瓷的主要增韌機理 畢業(yè)設計（論文）說明書 15 納米陶瓷增韌的基本形式 ① 裂紋偏轉 裂紋偏轉增韌是裂紋非平面斷裂效應的一種增韌方式。 迄今為止人們已經(jīng)研制出許多種類的氧化鋯增韌陶瓷，其種類及力學性能見表 21。有了氧化鋯的增韌，人們不再懼怕陶瓷材料表面的缺陷。表面層的相轉變使 10100um 深度的表面層受到壓縮應力。 畢業(yè)設計（論文）說明書 14 這種機理同上一個類似，也是四方→單斜相轉變時的體 積膨脹造成了壓縮應力。相轉變所產(chǎn)生的體積膨脹會壓迫周圍的基體，使晶粒本身和基體都處于一種壓縮應力的作用下。增韌機理如下圖 21 圖 21 微裂紋增韌機制示意圖 b 應力引發(fā)相轉變機理 氧化鋯冷卻通過相轉變區(qū)時，應該發(fā)生四方 單斜的相轉變。由于這些微裂紋的存在，改變了晶粒周圍的應力場。如果將細微的畢業(yè)設計（論文）說明書 13 氧化鋯粒子分散到其他基體如氧化鋁中，也可以發(fā)現(xiàn)顯著的增韌作用。這種晶形轉變完全被限制住的氧化鋯成為穩(wěn)定氧化鋯。氧化鋯有三種晶形： 1170℃以下為單斜晶系， 11702370℃為四方晶系，從 2370℃直至熔點為立方晶系。通過分散相的體積變化可以向裂縫表面施加一個壓縮應力，從而阻止裂縫增長，故成為一種增韌機理。最好的結果來自于不同增強機理的結合。目前陶瓷材料的增韌主要通過三個途徑：（ 1）復合；（ 2）預應力法；（ 3）相轉變法。 所謂馬氏體相變，這一概念最早源于金屬材料