[发明专利]一种提高磷酸盐陶瓷材料耐热冲击性的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及NZP族磷酸盐陶瓷材料Ca_1-xBa_xZr₄(PO₄)₆（0≤x≤1,简称CBZP） 系列中近零膨胀组成Ca_0. 85Ba_-0.15Zr₄(PO₄)₆ ,目的为进一步提高其耐热冲击性，属于精细陶瓷材料领域。

背景技术

NZP族磷酸盐陶瓷材料具有优良的低热膨胀和耐热冲击性能，可广泛应用于航空航天、汽车工业、军事领域高温导弹、小型换热器、催化剂载体等，其重要的应用价值正日益受到举世瞩目。

然而绝大多数NZP型化合物具有热膨胀各向异性，即晶胞参数a和c随温度变化时一个伸长，一个缩短。这样当烧结体从烧结温度冷却下来时，由于单个晶粒在一个晶轴上膨胀而在另一晶轴上收缩，所引起的差值使多晶陶瓷内产生了热应力，在某些点处可能超过晶粒或晶界的抗张强度，进一步冷却时产生开裂，在多晶体内形成微裂纹，这就降低了材料的抗热震（耐热冲击）性。经研究发现微裂纹的产生与烧结体的晶粒大小密切相关，当晶粒大小超过某个粒径值时就产生微裂纹，这个粒径值称为临界粒径G_cr。

根据Cleveland关系式：

G_cr=1.44γ_f/(E△α_max²△T²)

γ_f—断裂表面能

E—单个晶粒的弹性模量

△α_max—单个晶粒中轴膨胀的最大差值

可见临界粒径与晶体热膨胀的各向异性大小△α_max的平方成反比，即各向异性越大，临界粒径越小，微裂纹越容易产生。

微裂纹的产生虽然降低了热膨胀系数，但同时也使材料的抗热震性能下降，因此控制热膨胀的各向异性和烧结体的晶粒大小是开发低膨胀陶瓷材料的两个重要手段。

降低热膨胀异向性是提高其耐热冲击性的一条重要途径，这方面的研究国内外已有报道，本课题组也做过一系列研究，并成功地合成了Ca_1-xBa_xZr₄(PO₄)₆

(x=0,0.15,0.25,0.5,0.75,1.0)和K_xSr_(1-x )/2Zr₂(PO₄)₃ (x=0,0.25,0.5,0.75,1.0)两个系列的NZP族材料。

另外，由于NZP是单相多晶材料,晶粒越大，晶界应力也越大,甚至可使大晶粒出现贯穿断裂。而细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒越细，裂纹扩展路途愈长，强度越高，因此细化晶粒是提高陶瓷材料耐热冲击性的另一有效手段，本发明拟用添加活性SiO₂和控制烧结条件的方法，即用稳定的异质原子置入晶界或在晶界形成超微细稳定第二相来抑制晶粒的生长，达到细化晶粒、提高其耐热冲击性能的目的。

迄今为止，除本发明的申请者所发表的公开不彻底的有关研究报道外，尚未发现与本发明相同的公开文献报道。

发明内容：

本发明的目的在于通过添加活性SiO₂和控制烧结条件的方法，使晶粒细化，以进一步提高近零膨胀磷酸盐陶瓷材料Ca_0. 85Ba_-0.15 Zr₄(PO₄)₆ 的耐热冲击性能。

本发明首次采用添加活性SiO₂的方法，较为有效地提高了CBZP陶瓷的耐热冲击性能。具体包括如下制备步骤：