绿色氧化锆(ZrO_(2))陶瓷饰品材料的光固化3D打印成形研究

彩色氧化锆(ZrO_(2))陶瓷以其丰富的色彩,金属光泽以及优良生物亲和性等特点,在装饰材料以及艺术品领域得到了广泛关注。受限于氧化锆陶瓷的高强度和高硬度,复杂结构陶瓷饰品对模具要求高,成本高周期长,不利于个性化定制。激光立体光刻(SLA)作为一种无需模具的高精度3D打印技术,在复杂结构设计的个性化陶瓷饰品制造上极具潜力。然而该技术在打印高吸光度、高折射率彩色氧化锆材料方面还存在很多挑战,主要在于深色氧化锆的紫外光吸收性以及高折射率导致的光散射,进而造成固化层厚度小,容易分层甚至难以成形。本文基于SLA技术,以绿色氧化锆为研究对象,在绿色氧化锆光固化陶瓷浆料中引入低折射率SiO_(2)作为紫外光传导介质,降低陶瓷浆料固液界面折射率差值以减少散射,增强紫外光透射,并通过流变力学、光固化动力学、物相结构、致色机理、力学性能等分析,优化打印成形工艺与脱脂烧结工艺,最终确定以15 vol.%SiO_(2)掺入的绿色氧化锆色彩与力学综合性能表现较好。综上,通过在绿色氧化锆陶瓷浆料中加入15 vol.%SiO_(2),在1450℃下烧结可以制备出色彩饱满,力学性能良好的复杂结构陶瓷饰品,满足绿色氧化锆陶瓷首饰在穿戴过程中的审美要求和实用性需求,并为彩色氧化锆陶瓷3D打印成形提供了新思路。

ZrO_(2)纳米颗粒含量对AZ91D镁合金微弧氧化膜耐蚀性的影响

为了提高AZ91D镁合金的耐蚀性能,利用单极性脉冲电源制备具有不同ZrO_(2)纳米颗粒含量的微弧氧化膜层,研究纳米ZrO_(2)颗粒对AZ91D镁合金微弧氧化膜层耐蚀性的影响。采用扫描电子显微镜观察复合膜层的表面及截面形貌;同时利用X射线衍射仪分析不同ZrO_(2)纳米颗粒含量的膜层中的相组成;测试样品的电化学腐蚀性能。结果表明:当电解液中加入1 g/L ZrO_(2)颗粒时,纳米ZrO_(2)颗粒能够渗入微弧氧化膜层之中,封闭膜中原有的微孔和微裂纹等缺陷,膜层表面质量较好;随着电解液中ZrO_(2)颗粒含量由2 g/L增加到3 g/L时,膜层的裂纹明显增多,导致腐蚀介质容易进入膜层发生腐蚀,耐蚀性能下降;在电解液中添加纳米ZrO_(2)颗粒时,1~3 g/L范围内添加1 g/L ZrO_(2)纳米颗粒的微弧氧化膜层的耐蚀性能最好。

纳米SiC颗粒复合对Al_2O_3-ZrO_2陶瓷材料力学性能的影响

研究了纳米SiC颗粒复合对Al2O3＿ZrO2陶瓷材料力学性能影响的两个因素,即ZrO2的相变强韧化和纳米SiC颗粒的弥散强韧化。实验发现,处于晶界的纳米SiC颗粒,有松弛晶界应力的作用,使得样品中在室温下保留的四方相含量减少,ZrO2的相变强韧化作用减小,但纳米SiC颗粒在晶界处对裂纹的钉扎作用又改善了材料的力学性能。如果两个因素能协调作用,将会使强韧化效果增大,反之则会降低。

Y_(2)O_(3)添加量对Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)共晶陶瓷显微组织及力学性能的影响

为探索第三组元Y_(2)O_(3)添加对Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)共晶陶瓷显微组织与机械性能的影响,本文利用低温度梯度的高温熔凝法制备了直径为20 mm的Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)(Y_(2)O_(3))共晶陶瓷块体,采用SEM、EDS及XRD技术对共晶陶瓷进行微结构分析,并利用维氏压痕法对其硬度和断裂韧性进行测试。SEM结果表明,凝固组织由群集的共晶团结构组成,随着Y_(2)O_(3)添加量的增加,共晶团形态由胞状转变为枝晶状,内部相间距在1~2μm范围内变化。力学测试表明,Y_(2)O_(3)摩尔分数小于1.1%时,由于组织内部存在低硬度m-ZrO_(2)及微裂纹缺陷,故陶瓷硬度较低,约为(9.53±0.22)GPa;当Y_(2)O_(3)摩尔分数为1.1%时,陶瓷硬度最大,约为(18.05±0.27)GPa;当Y_(2)O_(3)的摩尔分数大于1.1%时,由于共晶团边界区内气孔缺陷及粗大组织增多,引起陶瓷硬度值略有下降。低Y_(2)O_(3)摩尔分数添加时,陶瓷断裂韧性相对较高,约为(6.30±0.16)MPa·m^(1/2),这与其内部存在大量微裂纹缺陷有关;随着Y_(2)O_(3)添加量的增加,陶瓷的微裂纹数量减少、边界区内缺陷增多,断裂韧性降低。

CaO/Y_(2)O_(3)共稳ZrO_(2)复相陶瓷显微结构和力学性能研究

采用传统固相法制备了不同CaO和不同Y_(2)O_(3)掺杂量的ZrO_(2)复相陶瓷。借助XRD、SEM、EDS、维氏硬度计等测试手段研究了复相陶瓷的显微结构及力学性能。结果表明CaO/Y_(2)O_(3)共稳ZrO_(2)复相陶瓷的显微结构中共有大、中、小三种不同尺寸的ZrO_(2)晶粒。CaO的掺入在细化晶粒的同时可以降低中型t-ZrO_(2)晶粒内Y稳定剂含量,提高t-ZrO_(2)相变量;Y_(2)O_(3)能降低基体中m-ZrO_(2)的体积分数。当Y_(2)O_(3)掺入量为1.8 mol%,CaO掺入量为2 mol%时,获得了最高的断裂韧性(5.4±0.2 MPa·m1/2);当Y_(2)O_(3)掺入量为2.5 mol%,CaO掺入量为1 mol%和2 mol%时,分别获得了最高的抗弯强度(785±37 MPa)和硬度值(13.3±0.2 GPa)。

铈氧化物对ZrO_(2)泡沫陶瓷组织和性能的影响

以聚氨酯泡沫为前驱体,以Mg稳定ZrO_(2)粉为原料、聚乙烯醇为黏结剂、聚丙烯酸铵为分散剂,采用有机泡沫浸渍法制备ZrO_(2)泡沫陶瓷,研究稳定剂的种类和含量对ZrO_(2)泡沫陶瓷显微组织和力学性能的影响。实验结果表明:添加富铈稀土和CeO_(2)均可促进四方相ZrO_(2)的稳定,相同条件下富铈稀土比CeO_(2)稳定效果更好;富铈稀土的质量分数为1.0%时,制备的ZrO_(2)泡沫陶瓷过滤器稳定性最佳,并具有最佳的力学性能,此时其四方相含量、体积密度、气孔率、抗折强度和抗压强度分别为35%、3.29 g/cm^(3)、33.0%、1.16 MPa和1.38 MPa,同时材料具备良好的抗热震性。

Sc_(2)O_(3)和CeO_(2)共稳定ZrO_(2)陶瓷的结构与热物理性能研究

采用高温固相反应法制备了Sc_(2)O_(3)-CeO_(2)掺杂ZrO_(2)陶瓷材料,通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、高温热膨胀仪及激光热导仪探究稀土掺杂对陶瓷材料的物相结构、微观形貌和热物理性能的影响。结果表明:Sc_(2)O_(3)-CeO_(2)掺杂ZrO_(2)陶瓷材料经1 500℃烧结6 h后无单斜相产生,物相结构表现为单一立方相结构,显微结构致密。Sc_(2)O_(3)和CeO_(2)的掺杂提高了ZrO_(2)基陶瓷材料的热膨胀系数,室温至1 300℃,10C6SSZ的平均热膨胀系数为1.190×10^(-5)K^(-1)。室温至1 000℃,CeO_(2)和Sc_(2)O_(3)的掺杂有效地降低了ZrO_(2)基陶瓷材料的热导率,10C6SSZ的热导率为1.73~1.93 W·m^(-1)·K^(-1)。

微波烧结温度对ZrO_(2)陶瓷复合材料微观结构及增韧机理研究

ZrO_(2)陶瓷具有高强度和高韧性的特点,在口腔修复材料方面具有广泛应用。以8%(摩尔分数)Y_(2)O_(3)为稳定剂,Al_(2)O_(3)为添加相,制备了ZrO_(2)陶瓷复合材料,研究了1300~1450℃微波烧结温度对ZrO_(2)陶瓷复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明,微波烧结制备出的ZrO_(2)陶瓷复合材料均为四方相结构,高温烧结后未出现新的产物,1400℃烧结陶瓷的半峰宽最小,结晶度最高,且气孔数量最少,组织最为致密。随着微波烧结温度的升高,ZrO_(2)陶瓷复合材料的密度和硬度均先增大后减小,当微波烧结温度为1400℃时,试样的密度和硬度均达到最大值,分别为5.46 g/cm^(3)和14.15 GPa。抗弯强度和断裂韧性随微波烧结温度的增大先升高后降低,当微波烧结温度为1400℃时,试样的抗弯强度和断裂韧性均达到最大值,分别为566.95 MPa和11.85 MPa·m^(1/2)。综合分析可知,1400℃烧结的ZrO_(2)陶瓷复合材料具有较高的抗开裂的能力,在口腔修复材料方面有着广阔的应用前景。

纤维增强ZrO_(2)泡沫陶瓷的制备及导热性能

ZrO_(2)气凝胶具有比表面积大、吸附能力强、隔热等优异性质,在催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料、高温构件等领域具有广阔的应用前景。然而,氧化锆气凝胶在高温环境下因晶型转变导致孔结构破坏、骨架结构坍塌而表现出较差的力学性能,使其在实际应用中受限。采用纤维增强方法,在高热稳定氧化锆气凝胶基础上,通过H_(2)O_(2)发泡法制备了高强度ZrO_(2)泡沫陶瓷,并对其进行了制备工艺以及高温热温度性、表观密度、气孔率、抗压强度和导热性能进行测试分析。测试结果表明,气凝胶与纤维增强结合的泡沫陶瓷经5 h、1400℃高温处理后仍然保持四方晶相结构,表现出优良的高温热稳定性。当纤维含量为35%时,氧化锆泡沫陶瓷抗压强度最佳,为15.3 MPa。当纤维含量为30%、H_(2)O_(2)与ZrO_(2)气凝胶质量比为4∶8时,泡沫陶瓷的表观密度最低,仅为1.104 g·cm^(-3),气孔率为81.6%,且分别在室温、1000℃条件下,泡沫陶瓷的导热系数分别为0.451和0.712W·K-1·m^(-1)。

SiC/ZrO_(2)复合陶瓷的摩擦磨损性能研究

采用真空热压烧结技术制备SiC/ZrO_(2)复合陶瓷,利用SiC氧化后能愈合裂纹的特性,将复合陶瓷热处理后利用球盘式摩擦磨损试验机进行耐磨性能测试,分析SiC对复合陶瓷摩擦磨损性能的影响,测试复合陶瓷摩擦系数、磨损率,观察复合陶瓷表面形貌、元素分布及分析物相。结果表明,SiC/ZrO_(2)复合陶瓷经过热处理后,表面出现熔融态物相,摩擦系数有下降趋势,但表面气孔的出现及粗造度的增加导致磨损量增加,磨损机制为脆性断裂引起的断裂磨损和磨粒磨损。

多孔Al_2O_3陶瓷/纳米ZrO_2颗粒/环氧树脂复合材料的制备及性能研究

以环氧树脂、固化剂、多孔Al2O3陶瓷、纳米Zr O2颗粒为主要原料,采用常温固化的方法制备环氧树脂及其复合材料,研究纳米Zr O2颗粒和多孔Al2O3陶瓷含量对环氧树脂及其复合材料弯曲、压缩、高温尺寸稳定性和摩擦性能的影响。研究结果表明:当纳米Zr O2含量为3wt%,多孔Al2O3陶瓷孔隙度为83%时,新型复合材料的综合力学性能达到最佳,抗压强度、抗压模量、抗弯强度和抗弯模量分别为187.9 MPa、2.55 GPa、121.3MPa和3.61 GPa,该复合材料具有良好的高温稳定性180℃时未出现明显变形。摩擦磨损试验表明,与其他环氧树脂基复合相比,在相同摩擦时间内该新型复合材料的磨损量最低,具有更好的耐磨性。

ZrO_2/SiC-WSi_2/MoSi_2纳米复相陶瓷制备及增韧机制探讨

利用扫描电镜、图像分析仪以及X射线衍射仪研究了ZrO2/SiC-WSi2/MoSi2复合粉末的分散、热压试样结构、组织以及断口形貌和断裂韧性之间的相互关系。研究表明:综合利用球磨、酒精清洗、超声波振荡能很好地实现纳米/微米颗粒的分散,团聚现象较轻。SiC,ZrO2纳米颗粒的协同复合化以及W的合金化能使复相陶瓷晶粒细化,增韧效果明显,断裂韧性可达8.13MPa·m1/2,断口呈现出以沿晶为主、穿晶为辅的混合断裂特征。复相陶瓷的增韧主要是通过晶粒细化、裂纹偏转、微裂纹形成、桥联等机制的综合作用。

改进的颗粒溶胶工艺制备高性能ZrO_2-TiO_2复合纳滤膜

以水为溶剂,采用改进的颗粒溶胶工艺,通过溶胶制备参数的调控优化,制备得到平均粒径为3nm的ZrO2-TiO2复合颗粒溶胶。采用浸浆法,在平均孔径为5nm的管式α-Al2O3底膜上,经过一次涂膜制备得到完整无缺陷的ZrO2-TiO2复合纳滤膜。ZrO2-TiO2复合纳滤膜的平均膜厚约为200nm,纯水渗透率约为23L·m-2·h-1·(0.1MPa)-1,对PEG的截留分子量为600。在pH=3,压力0.9MPa的条件下,该膜对低浓度的Co2+、Sr2+、Cs+的截留率分别达到99.6%、99.2%和75.5%。

Mo-Al_2O_3金属陶瓷颗粒膜的光学常数研究

采用磁控溅射技术在不锈钢片上沉积了Mo-Al2O3金属陶瓷混合膜,将Maxwell-Garnett等效媒质理论应用于Mo-Al2O3颗粒膜的光学常数分析,分别以Mo和Al2O3的块体材料和溅射薄膜的光学常数为基础,理论计算了不同金属填充因子金属陶瓷颗粒膜在300nm～800nm波段范围内的光学常数n,k随波长λ的变化规律,同时对理论计算结果与实验测试结果之间存在的差异及其产生的原因进行了讨论。

Al_2O_3陶瓷颗粒对镍基合金涂层耐磨性能的影响

采用激光熔覆技术在Cr12MoV冷作模具钢上制备Al_2O_3陶瓷颗粒增强的镍基合金涂层,分别采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机研究了熔敷镍基合金涂层的横截面宏观形貌、显微组织、物相、显微硬度和耐磨性能.结果表明:当陶瓷颗粒的质量分数为15%时,镍基合金涂层中出现明显裂纹;当陶瓷颗粒的质量分数小于15%时,镍基合金涂层中金属与母材具有良好的冶金结合;镍基合金涂层的显微硬度与耐磨性具有相同的变化规律,即随着陶瓷颗粒质量分数的增加,显微硬度逐渐增大,耐磨性能逐渐增强,这是由于Al_2O_3陶瓷颗粒均匀分布在Cr元素形成的固溶体骨架附近的缘故.

LiTaO_3颗粒增韧Al_2O_3陶瓷复合材料的制备与性能

通过冷等静压成型空气气氛下无压烧结把 L i Ta O3压电陶瓷颗粒作为增韧相引入 Al2 O3结构陶瓷 ,结果发现 ,L i Ta O3与 Al2 O3在 130 0℃烧结后能稳定共存 ,L i Ta O3颗粒弥散均匀分布 ;L i Ta O3的加入改善了 Al2 O3陶瓷的烧结性能 ;L i Ta O3颗粒含量适中的 Al2 O3基陶瓷复合材料的力学性能显著提高。

ZrO_2-Al_2O_3复相陶瓷的研究

采用工业ZrO2 ,Al2 O3 为原料 ,通过适当的工艺制备出ZrO2 -Al2 O3 复相陶瓷。研究结果表明 :添加Al2 O3 可有效地抑制ZrO2 晶粒的生长 ,有利于使ZrO2 晶粒以亚稳四方相存在 ,从而提高材料的强度与断裂韧性。Al2 O3 质量分数为 2 0 %时 ,复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性分别为 6 76 .7MPa ,10MPa·m1/ 2 。

(LaNbO_4+ZrO_2)/MoSi_2复合陶瓷的显微组织及韧化机理

利用热压法制备了(LaNbO_4+ZrO_2)/MoSi_2复合陶瓷材料,通过扫描电镜、图像分析仪、X射线衍射仪分析了其显微组织、物相和断裂特征,测算了其显微硬度、晶粒尺寸、孔隙率和断裂韧度。结果表明:该复合材料与单相MoSi_2相比,其晶粒明显细化,致密性很好,硬度值略有增大;LaNbO_4、ZrO_2颗粒的协同复合作用引起断裂机制由穿晶断裂为主向沿晶断裂为主转变,使复合材料的韧性显著提高,这主要与晶粒细化、致密性提高、ZrO_2纳米颗粒的相变增韧、裂纹偏转、微裂纹区增韧以及LaNbO_4应力激发的畴结构切换增韧机制有关。

双相颗粒混合增韧ZrB_2陶瓷复合材料的研究

将增韧相与ZrB2陶瓷基体按配比混料、热压,制备了双相颗粒混合增韧ZrB2陶瓷复合材料,研究了其密度、硬度、力学性能、耐烧蚀性能以及显微组织.结果表明,采用混料热压法能制备99.5%理论密度的ZrB2复合材料;显微硬度为800HV,室温抗压强度为1.397GPa,相对压缩率为21.8%.随着温度升高,强度和压缩率均急剧下降;然而,到1100℃时抗压强度仍高达649MPa,相对压缩率为7.6%.该复合材料在等离子电弧加热器上烧蚀6s后,试样表面温升达2800℃,烧蚀后晶粒长大,部分韧化相熔化飞出,留下孔洞.在氧乙炔焰上烧蚀30s后,试样表面温升达到2000℃,烧蚀后表面无裂纹,表面形成一层氧化膜,晶粒略有长大.

烧结温度对20%ZrO_2(3Y)/Al_2O_3复相陶瓷力学性能和微观结构的影响

20%纳米ZrO2（3Y）粉末加入到高纯亚微米Al2O3粉中,采用高压干压成型方法和恒速升温多阶段短保温烧结方法制备出不同烧结温度下的复相陶瓷。研究烧结温度对复相陶瓷力学性能的影响,通过XRD,EDS和SEM对复相陶瓷进行元素组成和微观结构分析。结果表明：烧结温度在很大程度上影响着复相陶瓷的力学性能和微观结构,常压烧结1600℃保温8h时,相对密度、维氏硬度和断裂韧性达到最大,分别为98.6%,18.54GPa和9.3MPa·m1/2,而基体晶粒尺寸为1.4~8.1μm,ZrO2相变量为34.6%。1600℃下复相陶瓷具有优质的微观结构,断裂方式为沿晶-穿晶混合断裂模式。ZrO2（3Y）粉体的加入,从相变增韧、内晶型颗粒增韧和裂纹偏转等多个方面提高了复相陶瓷的断裂韧性。