SiO_%282%29添加量对Mg-PSZ陶瓷性能的影响.pdf

：耐火材料 添加量对 陶瓷性能的影响刘兴刚）高昕宇）刘 涛）李玉庆）东北大学 材料科学与工程学院辽宁沈阳 ）东北大学 冶金学院辽宁沈阳 ）滨州市高级技工学校山东滨州 摘要：为提高氧化镁部分稳定氧化锆（）陶瓷的性能，以 粉和 粉为原料，引入 粉，在 保温 制备了 陶瓷试样。研究了 添加量（加入质量分数分别为、）对试样相组成、显微结构、离子电导率、物理性能等的影响。结果表明：）在 陶瓷中添加 可以促进 向 的转变，相的含量越少，气孔和裂纹越少，致密度越高；）随着 添加量的增加，试样的 相含量、致密度、抗热震性、常温耐压强度和离子电导率先增大后减小。当 添加量为 （）时，试样的综合性能最好。关键词：固体电解质；氧化镁稳定氧化锆；二氧化硅；抗热震性；离子电导率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：氧是钢液中重要的微量元素，高效精准测量和控制冶金过程中氧的含量对于控制钢材质量、提高钢板成材率十分重要 。氧传感器是钢水中氧含量在线检测的有效装置 。由于氧化镁部分稳定氧化锆（）具有高电导率、高强度以及良好的抗热震性等特点，被广泛应用于一次性氧传感器件 。但是，材料的烧结温度较高，且高温下晶粒异常长大 。在 陶瓷的制备中，多采用引入烧结助剂降低烧结温度，如温天朋等 证明了共掺杂 （）的 可以有效提高 稳定 的离子导电性和抗热震性；孙侨阳等 采用相分析、形态分析和电化学分析表征了不同 含量的 稳定 的相演变、力学性能和电性能，指出 的添加会导致晶格畸变、晶粒生长和相变。为了满足电化学性能要求，冶金应用的理想氧传感器必须具有良好的产量、可接受的成本和优异的抗热冲击性。作为烧结助剂具有价格低廉和在较低烧结温度下使 陶瓷制品获得较高的烧结密度的优势 。研究表明，将 添加到 系统中作为第二相颗粒可以防止晶粒过度生长，并且可以获得稳定的 相 。鉴于以上研究，在本工作中，研究了 添加量对 陶瓷相组成、显微结构、性能等的影响，期望为开发高性能的氧传感器固体电解质提供技术支撑。试验 试样制备试验用原料为：粉，（）；粉，（）；粉，（）。试样配比见表 。按表 称量粉体，将混合粉料与乙醇按质量比 放入氧化锆球磨罐中，采用行星式球磨机湿磨 ，转速为 。混合后的浆料在 的烘箱中干燥 ，再在玛瑙研钵中粉碎并研磨至 ，之后在箱式电阻炉中进行 保温 的初步煅烧。经研磨过 （目）筛后的粉料，在 下使用金属模具将其单 轴 压 制 成 、及表 试样配比 原料 试样试样试样试样试样试样 粉 粉 粉 年 月第 卷 第 期 ，国家自然科学基金资助项目（）。刘兴刚：男，年生，博士，副教授。：收稿日期：编辑：张子英 耐火材料 ：圆柱形坯体，于 干燥 后，以 的速率升温至 保温 ，再以 的速率冷却至室温。性能检测对烧后的 试样，利用 射线衍射仪（靶材 射线，衍射角为 ，扫描速度 ）分析物相组成，根据单斜、立方相对应的晶面衍射峰强度，计算相应的 含量。利用 型场发射扫描电子显微镜观察其微观结构，并按 ，使用 软件测定晶粒尺寸。按 测量体积密度和显气孔率，按 测量加热永久线变化。对于烧后的 试样，按 使用 型万能试验机以 的加载速率测量常温耐压强度。按 测量抗热震性：在 马弗炉中加热保持 ，取出水冷 ，如此循环重复 次，再使用万能试验机测量热震后的常温耐压强度，计算常温耐压强度保持率，以此评价其抗热震性。对于烧后的 试样，按 使用频率响应分析仪测量离子电导率，频率范围为 ，交流电压的振幅为 。结果与讨论 物相组成添加不同量 的试样于 烧后的 图谱和各相含量见图 。从图 可知，各试样的相组成主要为 和 。随 添加量的增加，的量先降低后增加，相应的 先增加后降低。当 添加量为 （）时，的量最少，的量最多。的加入可以促进 中 向 转变，因为 的对称性高，点阵致密，稳定化程度高，而且 中的 固图 添加不同量 的试样 烧后的 图谱和各相含量 溶到 晶格中取代 ，形成置换型固溶体，使得体系化学势下降，烧结驱动力增大，所以含 相较多的试样在室温下稳定，致密度高。但当 添加量超过 （）时，在 晶格中的固溶度达到饱和，只能以杂质的形式存在于 的晶界上，在烧结过程中，阻碍晶界的迁移，抑制致密化。体积密度、显气孔率和线收缩率添加不同量 的试样于 烧后的体积密度、显气孔率和线收缩率见图 。图 添加不同量 的试样 烧后的体积密度、显气孔率和线收缩率 ，由图 可以看出，随 添加量的增加，试样的体积密度和线收缩率先升高后降低，相应的显气孔率耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 先降低后升高。添加量为 （）时，体积密度最 高，为 ，达 到 理 论 密 度 的 ，此时对应的显气孔率最小，为 ，线收缩率最大，达 。添加适量 可显著增强 材料的烧结动力，从而促进致密化。这与 的相含量变化结果是一致的。显微结构图 为添加不同量 的试样于 烧后的 照片。试样试样的晶粒尺寸分别为 、。可知，相较于不添加 的试样，添加 试样晶粒尺寸变小，但变化不明显。随着 添加量（加入质量分数为 ）的增加，可观察到表面孔隙分布趋于均匀，并逐渐减少，当 添加量为 （）时，晶粒尺寸趋于均匀，晶粒之间结合较为致密。因为 陶瓷的相变主要是由 固溶引起的，固溶使晶粒尺寸减小，氧空位增加，使 在室温下成为亚稳相。所以当 添加量为 （）时试样体积密度最大，显气孔率最低，含量也最高。当 添加量继续增加至 （）时，晶粒表面出现了较多的气孔，晶粒尺寸大小不均匀，试样体积密度显著降低。图 添加不同量 的试样 烧后的 照片 常温耐压强度图 为添加不同量 的试样烧后的常温耐压强度和热震后的耐压强度保持率。添加 的试样比未添加 的试样的常温耐压强度高，表明 的加入能显著提高常温耐压强度。随 添加量的增加，烧后试样的常温耐压强度先升高后降低，当 添加量第 期刘兴刚，等：添加量对 陶瓷性能的影响 年 月 耐火材料 ：为 （）时，达到最大值。耐压强度保持率先升高后降低，归因于试样的体积密度与耐压强度正相关。图 添加不同量 的试样烧后的常温耐压强度和热震后强度保持率 离子电导率图 给出了试样离子电导率（）与温度的关系。由图可知，试样的离子电导率随温度的升高而增加，并且离子电导率未出现明显变化。在测量的温度范围内，随着 添加量的增大，离子电导率增加，在添加量为 （）时达到最大。分析认为，添加 可以促进 向 转变，从而减少烧结试样中 的含量。陶瓷材料的离子电导率与体积密度有关，高致密度的陶瓷材料可以实现良好的离子传导。因此，可以通过添加 后试样的体积密度来评估 的离子电导率。此外，由于 的添加使得高温下 含量较多，共掺杂 电解质陶瓷的离子电导率明显高于在整个温度范围内无添加剂的电解质陶瓷。更多的 可导致离子电导率增加。当 添加量继续增大至 （）时，多余的 以玻璃相的形式在晶界处富集形成偏析，阻碍了离子在晶界上的传导，使得试样的离子电导率降低。图 试样离子电导率与温度的关系 结论（）在 电解质陶瓷中添加 可以促进 向 转变，的含量越少，气孔和裂纹越少，致密度越高。（）随着 添加量的增加，试样 相含量、致密度、抗热震性、常温耐压强度和离子电导率先增大后减小，当 添加量为 （）时，试样的综合性能最好。参考文献 ，：，：，（）：赵志龙，薛群虎，丁冬海，等 溶胶 凝胶法制备 粉的工艺研究 耐火材料，（）：凌永一，王珍，张婧，等 质耐火材料研究进展 耐火材料，（）：郎杰夫，谢志鹏，罗旭东，等 高性能 陶瓷材料的研究与应用进展 陶瓷学报，（）：郭会师，黄宇翔，李文凤，等 纳米 添加量对 材料烧结性能的影响 耐火材料，（）：高振昕 系相关系的再研究 耐火材料，（）：樊传刚，徐兰，严解荣，等（）（）（）（）（）陶瓷的相组成、力学与抗热震性能研究 耐火材料，（）：，（）：，：王子媛，赵蒙，杨军，等 含量对 陶瓷在高温时效中烧结性的影响 稀有金属材料与工程，（）：，（）：，（）：（下转 页）耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 注料性能的影响 耐火材料，（）：，：邝昌柳，王杏，刘正龙，等 不同碳材料对铝碳浇注料性能的影响 硅酸盐通报，（）：，（）：，（）：，（，），：；：，檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 （上接 页），（）：（），（，），：（）；，；（），：；：，第 期邝昌柳，等：改性石墨对低碳 耐火材料结构与性能的影响 年 月