磷酸锆--复合陶瓷原料

1.  磷酸锆的低膨胀性
磷酸锆从室温至1100℃表现为正膨胀，其膨胀系 数为1.710-6/℃。但磷酸锆烧结材料，随着烧结温度 的升高、高温烧成时间的延长，其热膨胀系数下降，特别是在1400℃以后，负膨胀百分率增大。浙江大学材料系王秀芳等针对烧结温度、烧结时间对磷酸锆陶瓷 的热膨胀系数的影响，作了对比实验如图1                                               如图 2
 
图 1 为磷酸锆粉体中添加2wt%Ni2O3 为烧结促进 剂，在不同温度下烧结2 小时陶瓷的热膨胀曲线。由 图可以看出，随着烧结温度的升高，陶瓷的热膨胀系 数就下降，负膨胀百分率越来越大。
图 2 为磷酸锆粉 体中添加2wt%mgo 作烧结促进剂，在 1300℃温度烧结不同时间所获得的热膨胀曲线。由图可以看出， 随着烧结时间的延长，陶瓷的热膨胀系数下降，负膨 胀率越来越大；1300℃下烧结8 小时的磷酸锆陶瓷的 负膨胀最大，正膨胀系数最低；而在1300℃下烧结1 个小时的陶瓷之正膨胀系数表现为最大值。造成如图 1、图 2 结果的原因主要是磷酸锆材料随着烧成温度的 升高，逐步向致密化深入之后，进一步提高烧成温度 或延长烧结时间，将使晶粒异常长大，当达到临界尺 寸后，由于热膨胀系数的各向异性，而产生微裂纹，温度越高，时间越长，晶粒长得越大，产生的微裂纹也 越大。这些微裂纹为各晶粒的膨胀提供了场地，晶粒膨胀被裂纹所消化吸收，因此表现出热膨胀系数下降， 负膨胀百分率增大现象。故通过控制磷酸锆材料的烧 结温度与时间，可以调节磷酸锆材料的热膨胀系数。
2. 磷酸锆的烧结性
纯磷酸锆在1600℃也不易烧结，但结构稳定。 1600℃以上磷酸锆发生缓慢的分解，致密度下降。故磷酸锆的烧结温度控制在1600℃以下。降低磷酸锆的烧结温度主要是添加能形成磷酸盐液相的金属氧化物。 有ZnO、MgO、Nb2P5、Ta2O5、TiO2 等。若需提高材料的使用温度，应选择能形成高熔点液相的金属氧化物作烧结促进剂，如 Ta2O5、TiO2。 磷酸锆材料在1400℃以后，随着温度的升高，其晶粒也加速长大，特别是在高温期长时间加热，晶粒长得更大，产生的微裂纹也越多，虽然其热膨胀系数下降，但也带来负面效果，导致强度下降。如添加 TiO25wt% 的磷酸锆材料在1600℃烧结30 分钟，其抗 折强度只有50Mpa。
3.  磷酸锆陶瓷
近来，随着高新技术的发展，对材料性能的要求越来越高。如纳米粉的自蔓延制作技术、超细r —氧 化铁粉的制作、高精度稀土冶炼等对承烧器具的要求。不仅要求具有良好的热稳定性、化学稳定性，而且要 有较高的强度抵御热应力及粉体膨胀力对器具的破坏。 以往的低膨胀承烧器具强度较低，不能适用。磷酸锆 陶瓷具有低热膨胀，耐高温、高强度、化学稳定性好 等优良性能，有望在高新技术领域得到应用。
4.  磷酸锆复合陶瓷
4.1磷酸锆、锆英石复合陶瓷 锆英石与磷酸锆复合，一是SiO2 具有抑制磷酸锆 晶粒生长的效果；二是锆英石与磷酸锆不反应，且锆 英石属于中热膨胀系数的材料，热膨胀系数为4.0× 10-6/℃；梯度不大，匹配性较好；三是锆英石为工业 原料，价格便宜。 单独烧成的锆英石、磷酸锆当烧结至理论密度的 95%时，两者的强度都为200Mpa。但两者复合时，则 表现出较差的烧结性。日本名古屋大学的山井严等将 磷酸锆与锆英石按一定比例复合，并为了提高烧结程 度加入了MgO 或 TiO2 为烧结促进剂。复合结果是：以 TiO2 为烧结促进剂，当锆英石量为0 时，在 1500℃烧 成两小时，其晶粒仍细小均匀，且强度高，但在1400～ 1500℃烧成16 小时，则晶粒长大，强度下降；当锆英 石含量为25% 时，在 1400℃烧成16 小时，晶粒仍然细 小均匀，强度仍然保持200Mpa，热膨胀系数为2.0× 10-6/℃，1500℃时其晶粒则销大；当锆英石含量为50% 时，在 1500℃烧成16 小时，其晶粒细小，强度保持 200Mpa，热膨胀系数为2.7× 10-6/℃。
4.2 磷酸锆一氧化铝复合陶瓷 以 a-Al2O3 制作的氧化铝陶瓷，其结构稳定、致密，是抗铅腐蚀的优秀材质。一直作为压电陶瓷生产的承烧坩埚材质得以应用，但氧化铝热膨胀系数较大 （a=8.2 × 10-6/℃）、 热稳定性差，使用寿命仅为几次， 提高了压电陶瓷的生产成本。而磷酸锆是高强度高温低膨胀材料，且结构稳定，与氧化铝复合可改善热稳定性，提高压电陶瓷生产承烧坩埚的使用寿命。“抗热震抗强 腐蚀坩埚的研制”就是以氧化铝为基相，采用复相技术，加入磷酸锆低膨胀相及中间过渡相，提高材料的 抗热震性，使氧化铝一磷酸锆复相材料坩埚不仅稳定 抗腐蚀，同时具有良好的抗热震性，提高了使用寿命。 其性能数据是：抗折强度185Mpa；抗热震性：△ Tmax ≥ 300℃不裂；使用次数≥20 次。