8YSZ陶瓷成型与烧结工艺的优化.pdf

第４３２０１５焦卷７月第第７期—３２３７页材料工ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ程ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏ１．４３Ｎｏ．７—Ｊｕ１．２０１５ＰＰ．３２３７８ＹＳＺ陶瓷成型与烧结工艺的优化ＭｏｌｄｉｎｇａｎｄＳｉｎｔｅｒｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ８ＹＳＺＣｅｒａｍｉｃ一任继文，成佐明（华东交通大学机电工程学院，南昌３３００１３）——ＲＥＮｊｉｗｅｎ，ＣＨＥＮＧＺｕｏｍｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｅｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）摘要：为了改善８ＹＳＺ陶瓷的力学性能，以８ＹＳＺ双粒度粉体为研究对象，对其进行干压成型、无压烧结实验。对成型压力、保压时间及黏结剂用量等成型工艺参数进行了优化；利用正交实验对烧结方案进行了设计，讨论了烧结温度、升温速率、保温时间、烧结方式等烧结工艺参数对８ＹＳＺ陶瓷烧结性能和力学性能的影响，并优化出其烧结工艺参数。结果表明：选取ＰＶＡ加入量１Ｏ（质量分数）、成型压力１０ＭＰａ、保压时间３０ｓ的成型工艺参数，可压制出相对密度为５４．９的℃陶瓷坯体；选取烧结温度１５００，保温时间４ｈ，升温速率５￣Ｃ／ｍｉｎ，烧结方式裸烧的烧结工艺参数，可制备出相对密度为９８．３，抗弯强度为ｉ００．３ＭＰａ的８ＹＳＺ陶瓷。关键词：８ＹＳＺ；干压成型；烧结；正交实验；优化—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１５．０７．００６中图分类号：ＴＱ１７４．７５８．１１文献标识码：Ａ———文章编号：ｉ００１４３８１（２０１５）０７００３２０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ８ＹＳＺｃｅｒａｍｉｃ，ｔｈｅ８ＹＳＺｂｉｍｏｄａ１ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓｐｏｗｄｅｒｓｗｅｒｅｄｒｙｐｒｅｓｓｅｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｌｅｓｓｓｉｎｔｅｒｅｄ．Ｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｄｏｓａｇｅｏｆｂｉｎｄｅｒｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇ—ｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａ１ｔｅｓｔＷ３Ｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎ—ｃｌｕｄｉｎｇｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ，ｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅ，ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ８ＹＳＺｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｔｈｅｉｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｖａｌｕｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｇｒｅｅｎｃｅｒａｍｉｃｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆ５４．９％ｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅｄｏｓａｇｅｏｆＰＶＡｏｆ１０９／６（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ），ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ１０ＭＰａ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅｏｆ３０ｓ．Ｔｈｅ８ＹＳＺｃｅｒａｍｉｃｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆ９８．３ａｎｄｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ１００．３ＭＰａｃａｎｂｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ℃℃ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ１５００，ｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅｏｆ４ｈ，ｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅｏｆ５／ｍｉｎ，ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｎａｋｅｄｂｕｒｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：８ＹＳＺ；ｄｒｙｐｒｅｓｓｉｎｇ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ８ＹＳＺ（摩尔分数为８Ｙ。０。全稳定Ｚｒ０）是目前使用最广泛的固体电解质材料，它具有离子电导率高、热稳定性好、成本低等优点，常用作汽车氧传感器、燃料电池等［１］。但不足的是其力学性能较差，在使用的过程中容易产生裂纹，导致传感器因气密性不好而失效。如何提高８ＹＳＺ陶瓷的力学性能成为研究热点。目前常用的方法是通过掺杂烧结助剂来降低烧结温度，在控制晶粒生长的同时使致密度最大化，从而改善ＹＳＺ陶瓷的力学性能＿２］。同时，大量研究表明，ＹＳＺ陶瓷的力学性能与其制备工艺密切相关。其中，成型和烧结工艺是ＹＳＺ陶瓷获得优良力学性能的关键。陶瓷坯体在干压成型的过程中，经常会出现径向裂纹、表层脱落、翘曲和层裂等缺陷，这些缺陷会严重劣化ＹＳＺ陶瓷的力学性能。要压制出外观无缺陷、致密度高的坯体，取决于成型参数的选择，如黏结剂用量、成型压力、保压时间等。烧结是在高温下将陶瓷坯体进一步致密化的过程，通过优化烧结工艺参数，解决烧结后期致密化和晶粒生长的矛盾，是ＹＳＺ陶瓷获得最终力学性能的关键。本工作从成型和烧结制备工艺人手，通过优化其工艺参数来改善８ＹＳＺ陶瓷的力学性能。实验１．１实验工艺流程８ＹＳＺ陶瓷制备工艺流程如图１所示。第４３卷第７期８ＹＳＺ陶瓷成型与烧结工艺的优化３５３烧结工艺优化３．１正交实验设计影响ＹＳＺ陶瓷烧结性能的４个主要工艺参数为：烧结温度、保温时间、升温速率和烧结方式。将它们作为正交实验的４个主要因素，每个因素设定３个水平，制定出如表３所示的４因素３水平正交实验表。表３正交实验因素水平表Ｔａｂｌｅ３Ｆａｃｔｏｒｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ３．２实验结果及分析以烧结后８ＹＳＺ陶瓷的相对密度和抗弯强度作为实验指标，正交实验结果如表４所示。表中各次实验结果若以表示，当有ｉ个水平次实验，则Ｋ一ａ，Ｋ表示某因素的第ｉ个水平次实验结果的ｉ＝１——和；ＫＫ／３；ＲＫ一Ｋ；为某因素中Ｋｉ最大值所对应的第ｉ个水平，即为最佳工艺条件。为了便于直观分析，根据表４作正交实验因子水平与Ｋ值关系，如图６～图９所示。各工艺因素及水平对实验指标值的影响分析如下：（１）烧结温度：随烧结温度的升高，相对密度和抗弯℃强度逐渐增大，当烧结温度在１３００～１４００之间时对℃相对密度和抗弯强度的影响明显，在１４００～１５００之表４正交实验结果表Ｔａｂｌｅ４Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ３６材料工程２０１５年７月’ｌ墨耄Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／％图６正交实验烧结温度与霄值关系Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎ‘ｌ；耄’∞Ｃ∞ｎ，．面≥‘而岳面图７正交实验升温速率与值关系Ｆｉｇ．７ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅａｎｄＲ图８正交实验保温时间与值关系Ｆｉｇ．８ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅａｎｄＳｉｎｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ图９正交实验烧结方式与值关系ｃａ￡岙出Ｆｉｇ．９ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄＫ间时影响相对变小；（２）升温速率：随升温速率加快，相℃对密度和抗弯强度先增大后减小，均在５／ｒａｉｎ的升温速率下出现极值点；（３）保温时间：随保温时间的延长，相对密度和抗弯强度逐渐增大，保温时间在３～４ｈ之间时对抗弯强度影响明显；（４）烧结方式：三种烧结方式对相对密度和抗弯强度的影响不明显，埋烧的相对密度最大，裸烧的抗弯强度最高。根据表４中实验指标值Ｋ和极差Ｒ可以确定因子影响的主次顺序及最优水平分别为：相对密度，Ａ。Ｃ。ＢＤ。；抗弯强度，Ａ。Ｃ。ＢＤ。优化结果如表５所示。表５正交实验各影响因素优化结果Ｔａｂｌｅ５ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｒｄｅｒｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｌｅｖｅｌＲｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙＢｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ可以看出，对两考核指标来说，烧结温度都是最重要的影响因素，其次是保温时间和升温速率，唯一不同的是烧结方式对指标的影响，但结合生产实际和成本考虑，选择裸烧更合理。因此，最终正交实验优化的综℃合结果为：Ａ。Ｃ。ＢＤ，即烧结温度１５００，保温时间℃４ｈ，升温速率５／ｒａｉｎ，烧结方式裸烧，各因素对指标的影响主次顺序为烧结温度＞保温时间＞升温速率＞烧结方式。３．３验证实验按照本章优化后的成型工艺参数和烧结工艺参数制备试样，具体流程为：称取适量粉体ｃ，加入１ｏ９／６的ＰＶＡ造粒，选用１０ＭＰａ成型压力，保压时间３０ｓ压制坯体；采用管式烧结炉进行无压烧结，烧结温度℃℃１５００，升温速率５／ｍｉｎ，保温时间４ｈ，烧结方式为裸烧。通过测试可得，ＹＳＺ陶瓷的相对密度和抗弯强度分别为９８．３９／６和１００．３ＭＰａ，均高于表５中的实验指标值。图１ｏ为在优化工艺参数下制备出的试样表面微观形貌图，可以看出，晶粒发育良好，基本无残留气孔，具有致密的微观结构。４结论（１）８ＹＳＺ陶瓷成型工艺参数的最终优化结果为：ＰＶＡ的加入量为１０，成型压力为ＩＯＭＰａ，保压时间—∞∞—∞＝、ｃ西ｃｌＪｃｃ一订—∞ＬＪ：ｌｃ．Ｉ西ｃ一ｃ