《Effect of the sintering parameters on the structure and mechanical properties of zirconia-based ceramics》研究报告
本研究由Edvin Hevorkian（波兰卢布林生命科学大学）、Remigiusz Michalczewski（波兰Łukasiewicz研究所）、Miroslaw Rucki（波兰卡西米尔·普拉斯基大学/立陶宛维尔纽斯格迪米纳斯技术大学）等跨国团队合作完成，发表于2024年6月的《Ceramics International》期刊（Volume 50, Pages 35226–35235）。论文采用开放获取模式（CC BY 4.0许可），聚焦烧结参数对氧化锆基陶瓷结构与力学性能的影响机制。
学术背景
氧化锆（ZrO₂）因其高强度、耐磨损、生物相容性等特性，广泛应用于热障涂层、生物植入体和切削工具等领域。然而，其机械性能受烧结工艺及稳定剂（如Y₂O₃和CeO₂）的显著影响。传统烧结方法易导致晶粒粗化，而纳米粉末的团聚问题进一步制约材料性能。本研究旨在通过氟化物盐分解法合成纳米粉末，结合改进的放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术——称为”电固结（electroconsolidation）”，探究烧结温度、保温时间等参数对材料微观结构和力学性能的影响，以开发高性能低成本纳米结构陶瓷。
研究流程与方法
1. 纳米粉末制备
- 原料：氢氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）、金属锆等，采用氟化物盐分解法合成ZrO₂纳米粉体。
- 流程：金属锆在HF中溶解后，加入聚乙烯醇（PVA）和氨水沉淀，经800°C或1000°C煅烧2-4小时，获得3 wt% Y₂O₃、15 wt% Y₂O₃或15 wt% CeO₂稳定的粉末。
- 表征：通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）确认相组成与形貌。结果显示，CeO₂稳定粉末形成5-7 μm的针状结构，而Y₂O₃稳定粉末呈10-18 nm的球形颗粒（比表面积108 m²/g）。
2. 电固结烧结
- 设备：改进的SPS装置（无脉冲发生器），直接通入工业交流电（230 V），真空环境下加压45 MPa，升温速率250°C/min。
- 参数组合：温度（1300°C/1400°C/1500°C）与保温时间（3/5/10分钟）交叉实验。
- 创新点：通过电流直接加热抑制晶粒生长，短时保温（3分钟）即可实现99.9%相对密度，较传统SPS节能。
3. 力学性能测试
- 显微硬度（HV）：采用Vickers压痕法，载荷1 kg，计算裂纹长度与压痕对角线比值。
- 断裂韧性（K₁c）：基于裂纹扩展模型，结合弹性模量（E）和硬度值计算。
- 抗弯强度：三点弯曲法测试，公式为σ₃ = (3FL)/(2bh²)。
主要结果
微观结构
- Y₂O₃稳定陶瓷（3 wt%）在1500°C/3分钟条件下获得亚微米晶粒（<0.3 μm），符合ISO 13356医用陶瓷标准。
- CeO₂稳定陶瓷（15 wt%）在1400°C/3分钟时形成90-250 nm的均质结构，针状特征保留。
力学性能
- 抗弯强度：CeO₂稳定组最高达609 MPa（比Y₂O₃组高33%），归因于针状结构的增强效应。
- 硬度与韧性：Y₂O₃稳定组（ZrO₂+3 wt% Y₂O₃）表现最优（HV=14.8 GPa，K₁c=5.8 MPa·m¹/²），源于亚微米结构与相变增韧机制。
烧结参数敏感性
- Y₂O₃稳定材料对温度变化敏感：1300°C时强度最高（400 MPa），升温后下降。
- CeO₂稳定材料在1400°C性能峰值后，1500°C出现性能衰减，表明过烧结导致晶粒粗化。
结论与价值
- 科学价值：揭示了电固结工艺中电流直接加热对纳米结构调控的作用机制，提出短时保温可平衡致密化与晶粒生长的矛盾。
- 应用价值：
- 工程领域：高韧性陶瓷适用于切削工具（如Al₂O₃/TiC复合材料增强）。
- 生物医学：亚微米结构满足植入体标准，且CeO₂稳定粉末成本较Y₂O₃降低60%（预估30欧元/100 g）。
- 创新方法：氟化物盐分解法合成的纳米粉末抗团聚性强，结合改进SPS工艺实现规模化生产潜力。
研究亮点
- 工艺创新：开发低成本电固结技术，替代传统SPS脉冲发生器，加热速率提升至250°C/min。
- 性能突破：CeO₂稳定陶瓷的抗弯强度（609 MPa）为同类文献报道最高值之一。
- 跨学科合作：融合乌克兰的单晶合成经验与波兰的烧结工艺优化，为跨国材料研究提供范例。
其他发现
- 相变行为：XRD证实烧结过程中形成Y₂Zr₂O₇和(Zr₀.₆Y₀.₄)O₁.₈等亚稳相，影响最终性能。
- 缺陷工程：通过控制煅烧温度（800°C vs 1000°C）调节碳含量（10.62%→14.82%），间接优化烧结活性。
本研究为高性能氧化锆陶瓷的工业应用提供了可复制的工艺路线，尤其适用于对成本敏感的领域。未来可进一步探索该技术在复杂形状部件成型中的潜力。