氧化锆陶瓷及其复合材料

TZP陶瓷具有较高的室温强度和韧性【强度最高可达15GPa，断裂韧性达15MPa·m1/2(25mol Y2O3)】，其硬度、耐磨性和耐化学腐蚀性也较好，常应用于严酷环境和苛刻负载条件，如用做拉丝模、轴承、密封件和替代人骨，以及发动机活塞顶、气门机构中的凸轮、玻璃纤维和磁带的切刀等。但遗憾的是，除了陶瓷材料所固有的脆性之外，应力诱导相变对温度的敏感性导致高温下tZrO2的稳定性增高，从而导致相变增韧失效，致使强度和韧性急剧下降，加之在低温环境下时效导致强度和韧性下降（低温老化）及较差的抗热震性能等缺点，大大削弱了其与传统金属材料竞争的优势，限制了TZP的规模开发和应用。目前国内外针对TZP的弱点采取了一系列措施，复合化是解决此问题的有效途径。然而作为陶瓷所固有的脆性以及随着温度升高相变增韧效应减小乃至消失所导致的强度和韧性下降，限制了其大规模应用。现代材料科学技术的发展，使金属、无机非金属和高分子材料之间的联系日益紧密，彼此之间通过不同方式进行复合，形成叠加或非线性等协同效用，给新材料的研究带来前所未有的发展机遇。金属间化合物/陶瓷基结构复合材料就是近年来迅速发展起来的一种新型复合材料，它的发展与金属间化合物和高技术陶瓷的发展密切相关。它不仅充分利用了金属间化合物比普通金属材料原子结合力强、高温强度高、耐腐蚀、抗氧化、弹性模量大、密度低等一系列优点，以及比陶瓷韧性高、比高温合金密度低的半陶瓷特性，而且还将陶瓷材料的坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀、不老化等陶瓷的优良特性结合在一起，成为目前复合材料研究的热点之一。但是到目前为止，尚未见有从材料设计、制备、组织结构、力学性能及其相互关系等方面系统介绍金属间化合物/氧化锆陶瓷基结构复合材料的专著与教材。因此无论从科研成果总结还是教学角度，编著这样一部《氧化锆陶瓷及其复合材料》都是很有必要的。本书在综述国内外金属间化合物与氧化锆陶瓷及其复合材料研究现状的基础上，从材料学的角度，分别阐述了铁铝金属间化合物与氧化锆陶瓷的结构、性能和特点，对该类复合材料的强韧化机制进行了分析总结。考虑到该类复合材料的研究尚属于一个较新的领域，有些研究有待深入，书中存在疏漏及不妥之处，敬请广大同行批评指正。
本书的主要研究工作是在国家自然科学基金（No50242008）的资助下完成的，该书的出版得到化学工业出版社的精心指导和组织，在撰写期间得到中国科学院院士蒋民华教授、国家自然科学基金委员会材料二处高瑞平研究员的指导及教育部材料液态结构及其遗传性重点实验室和山东省工程陶瓷重点实验室同事们提供的多方面帮助和支持，在此一并表示衷心感谢！

尹衍升李嘉
2003年7月于山东大学

本书在综述国内外铁铝金属间化合物与氧化锆陶瓷及其复合材料研究现状的基础上，从材料学的角度，分别阐述了铁铝金属间化合物与氧化锆陶瓷的结构、性能和特点，并在此基础上结合作者多年的研究工作，较系统介绍了铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷基结构复合材料的设计、制备、组织结构、力学性能及其相互关系等方面的研究成果，对该类复合材料的强韧化机制进行了分析总结。本书内容全面，结构完整，并附有英文图（表）注。

第1章氧化锆陶瓷概述1
11氧化锆陶瓷的类型、性能、特点及应用1
111氧化锆增韧陶瓷7
112部分稳定氧化锆8
113四方氧化锆多晶体9
114氧化锆超塑性陶瓷9
115氧化锆传感器10
116氧化锆高温发热体11
117氧化锆离子导电材料12
118ZrO2及Zr(HPO4)2生物陶瓷12
119氧化锆压电衬槽12
12氧化锆陶瓷的组成与性能的关系13
121氧化锆添加量对复合体基体的力学性能有显著
影响13
122ZrO2增韧陶瓷微观结构与断裂行为的关系14
13氧化锆陶瓷的发展趋势及存在问题15
131YTZP陶瓷的缺陷15
132改进措施20
133氧化锆陶瓷的应用及发展趋势22
参考文献32
第2章氧化锆陶瓷材料的结构与性能37
21晶体结构37
22晶体结合类型39
221晶体的结合能40
222陶瓷晶体结合的基本类型及特性42
23晶体的负电性45
24氧化锆陶瓷46
241单晶ZrO2的晶体结构、多型体46
242氧化锆陶瓷的性能和应用48
参考文献49
第3章氧化锆陶瓷制备工艺50
31提炼氧化锆的方法50
311氯化和热分解法50
312碱金属氧化物分解法50
313石灰熔融法50
314等离子弧法51
315沉淀法51
316胶体法52
317水解法53
318喷雾热分解法54
32氧化锆陶瓷的粉料加工55
321氧化锆微细粉末的制备方法57
322微粉的干燥67
33氧化锆陶瓷的成型69
34 氧化锆陶瓷的高温烧结过程中的热力学和动力学
问题72
341烧结初期的动力学特征72
342纳米陶瓷烧结特点83
343氧化锆的烧结工艺87
35氧化锆陶瓷的抗热震性及低温老化现象89
351氧化锆的抗热震性89
352氧化锆陶瓷的低温老化现象93
36氧化锆陶瓷的烧结体材料加工97
37材料专家系统设计103
参考文献105
第4章氧化锆陶瓷复合材料108
41氧化锆陶瓷复合材料的研究现状与发展趋势108
411陶瓷材料的研究现状108
412复合陶瓷的发展108
413材料的剪裁与设计109
414纳米陶瓷110
415陶瓷基复合材料的强韧化研究112
416 陶瓷及其复合材料发展趋势115
417金属间化合物/陶瓷基复合材料118
418对金属间化合物/陶瓷复合材料（I/CMC）
发展趋势的几点认识120
42氧化锆陶瓷复合材料的研究方法121
421 材料性能预测与设计121
422复合材料的相容性分析125
423复合材料的制备与性能研究方法126
43氧化锆/氧化铝陶瓷复合材料128
44氧化锆/碳化硅陶瓷复合材料134
45氧化锆/氮化硅陶瓷复合材料137
46氧化锆/碳化钛陶瓷复合材料139
47氧化锆/二硅化钼陶瓷复合材料140
48氧化锆增韧补强羟基磷灰石生物陶瓷复合材料142
49氧化锆增韧莫来石陶瓷复合材料143
参考文献146
第5章铁铝金属间化合物氧化锆陶瓷复合材料149
51复合材料的化学相容性与理论设计149
511FeAl金属间化合物的结构特点149
512FeAl金属间化合物用做陶瓷材料增韧相的可能性150
513FeAl金属间化合物的性能152
514Fe3Al/ZrO2陶瓷复合材料的化学相容性预测159
52Fe3Al的机械合金化合成制备169
521MA过程中Fe28Al粉体的形貌与结构170
522球磨过程的显微硬度175
523低温退火过程中的有序转变177
524热压烧结Fe3Al块体材料的微观结构与力学
性能182
53ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料致密化过程188
531原料和烧结189
532热压烧结致密化过程晶粒生长分析191
533晶粒生长与相对密度的相互关系的分析195
534热压过程的变形行为197
54ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的力学性能及微观结构203
541ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的力学性能205
542复合材料的断裂模式208
543复合材料的微观结构特点209
544ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的界面结构220
55ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的增韧机制229
551试样制备与测试230
552R曲线的测定原理231
553ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的增韧机理分析233
554R曲线235
555相变增韧和桥联增韧对韧性的贡献237
556ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料中闭合应力的计算241
557ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料中残余应力对韧性
的贡献244
558“晶内型”ZrO2、Al2O3颗粒对Fe3Al的弥散
强化248
56ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的抗热震性能253
561复合材料的抗热震性能255
562ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的抗热震参数的
评定256
563R曲线行为对材料抗热震性能的影响257
564压痕淬冷法表征ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材
料的抗热震性能259
565用压痕淬冷法表征抗热震性能的几点讨论262
附录267
参考文献268