宋先剛 彭文 陳平基
摘 要:部分穩(wěn)定氧化鋯材料(PSZ)以其優(yōu)良的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性而成為MnZn鐵氧體承燒板的首選材料。PSZ材料在1100℃以上反復(fù)使用會發(fā)生反穩(wěn)定化現(xiàn)象。本文對比了鈣穩(wěn)定氧化鋯(Ca-PSZ)和釔穩(wěn)定氧化鋯(Y-PSZ)反穩(wěn)定化現(xiàn)象,及反穩(wěn)定化現(xiàn)象對材料物理性能的影響。結(jié)果表明:Y-PSZ晶相更為穩(wěn)定,性能也更為穩(wěn)定,更適合用于MnZn鐵氧體的承燒。
關(guān)鍵詞:部分穩(wěn)定氧化鋯;反穩(wěn)定化;錳鋅鐵氧體
1 引言
氧化鋯陶瓷具有較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性,近幾十年來受到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。純ZrO2不能直接作為結(jié)構(gòu)陶瓷使用,原因在于1000℃以上ZrO2會發(fā)生單斜相(m-ZrO2)和四方相(t-ZrO2)之間的可逆轉(zhuǎn)變,該轉(zhuǎn)變伴隨約7%體積變化,當(dāng)體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的彈性極限時,會引發(fā)材料的破壞。
上世紀(jì)70年代以來,研究者發(fā)現(xiàn)ZrO2晶體的變化是可以被控制的,他們將一些半徑與Zr4+離子半徑相近的金屬氧化物,如:MgO、CaO、Y2O3等摻入ZrO2中,在一定條件下形成固溶體,這種固溶體中便不會再發(fā)生單斜相與四方相之間的可逆轉(zhuǎn)變,抑制了因相變帶來的體積變化,降低了開裂的可能性。部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)材料因其優(yōu)良的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性而成為MnZn鐵氧體承燒板的首選材料之一。
2 用于MnZn鐵氧體燒制的承燒板的特性
MnZn鐵氧體通常置于承燒板上面燒制,目前用于MnZn鐵氧體燒制的承燒板按照材料大致可以分為三類:氧化鋁類、氧化鋯類、MnZn鐵氧體同體材料。對承燒板的性能要求大致有以下幾個方面。
(1) 承燒板應(yīng)具有高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性
承燒板應(yīng)具有高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性,與被燒結(jié)體不發(fā)生高溫反應(yīng),不影響鐵氧體的性能。筆者曾經(jīng)使用氧化鋁板、Ca-PSZ板、Y-PSZ板和MnZn材料同體板分別承燒MnZn鐵氧體。結(jié)果表明,使用氧化鋁板承燒的鐵氧體表面出現(xiàn)少量晶斑,且該鐵氧體磁導(dǎo)率損失嚴(yán)重,不同材料承燒板對所承燒磁芯磁導(dǎo)率的影響不同,如圖1所示。
從圖1中可以看出,使用氧化鋁質(zhì)承燒板對鐵氧體磁導(dǎo)率影響較大,損失嚴(yán)重。實驗表明,使用氧化鋁板承燒的鐵氧體表面出現(xiàn)少量晶斑;其他三種承燒板對鐵氧體磁導(dǎo)率影響不大。因此,燒制高品質(zhì)的鐵氧體材料不能使用氧化鋁質(zhì)承燒板。
(2) 承燒板應(yīng)該具有良好的抗熱震性能
一般情況下承燒板的抗熱震性會嚴(yán)重影響其使用壽命,所以鐵氧體生產(chǎn)者和承燒板供應(yīng)者都十分關(guān)心承燒板的抗熱震性能。材料的抗熱震性與材料的強度、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等有關(guān)。筆者分別對Ca-PSZ材料的承燒板、Y-PSZ材料的承燒板和鐵氧體同體材料承燒板進行了抗熱震性測試。測試方法參照標(biāo)準(zhǔn)(YB/T 376.1-1995)為:將爐溫升高到1100℃,然后將試樣放入爐中,保溫20min,取出投入室溫的水中,觀察試樣是否開裂,實驗結(jié)果見表1。
由表1可知,抗熱震性最好的材料是Y-PSZ,鐵氧體同體材料抗熱震性最差,基本上屬于一次性材料。PSZ承燒板的抗熱震性和氧化鋯的反穩(wěn)定化密切相關(guān)。
3 Ca-PSZ和Y-PSZ反穩(wěn)定化現(xiàn)象的比較
(1) 氧化鋯的穩(wěn)定化和反穩(wěn)定
ZrO2有三種晶體結(jié)構(gòu),單斜相(常溫穩(wěn)定型,密度5.68g/cm3)、四方相(密度6.1g/cm3)、立方相(密度6.27g/cm3)。三種晶型可以相互轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度與雜質(zhì)含量有關(guān),在ZrO2純度高時,三種晶型能發(fā)生以下同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變:
單斜相和四方相之間的相變是馬氏體相變,轉(zhuǎn)變異常迅速,同時伴隨約7%的體積效應(yīng),熱縮、冷脹。為了使四方相在室溫下能穩(wěn)定存在,最常用的方法是加入一些穩(wěn)定化組份(如:CaO、MgO、Y2O3等)。這些穩(wěn)定組份與氧化鋯形成固溶體,形成固溶體之后會降低相變溫度(即MS溫度)。晶體只有排除了外來質(zhì)點之后才能實現(xiàn)自身晶型轉(zhuǎn)變,而排除外來質(zhì)點是需要消耗能量的,因此穩(wěn)定化組份可以起到穩(wěn)定晶型的作用。
四方相的穩(wěn)定存在是保持PSZ陶瓷強度、韌性的關(guān)鍵,而長期處于MnZn鐵氧體燒制溫度下(最高約1400℃)的鋯板會發(fā)生反穩(wěn)定化現(xiàn)象,即出現(xiàn)大量四方相→單斜相轉(zhuǎn)變,反穩(wěn)定化的結(jié)果會造成陶瓷性能的明顯衰退。
(2) 兩種不同穩(wěn)定劑的PSZ反穩(wěn)定化實驗
選取Ca-PSZ承燒板和Y-PSZ承燒板在1400℃下分別保溫40h、100h、200h,冷卻至室溫,然后測試其抗折強度及氣孔率,結(jié)果見表2。
從表2中可以看出,Ca-PSZ材料的總體抗折強度低于Y-PSZ材料,而且隨熱處理時間的延長抗折強度降低速度較快,氣孔率增長速率較快。說明Ca-PSZ材料在熱處理過程中損壞的速度高于Y-PSZ材料。取不同熱處理時間的兩種材料做XRD分析,結(jié)果見圖2、圖3。
從圖2、圖3中可以看出,經(jīng)熱處理后Ca-PSZ材料的單斜鋯含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Y-PSZ材料,受熱時單斜鋯會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,同時伴隨體積效應(yīng),在材料中產(chǎn)生一定量的微裂紋,使得材料的抗折強度下降,開口氣孔率上升。
4 結(jié)論
(1) 抗熱震性最好的材料是Y-PSZ,鐵氧體同體材料抗熱震性最差。
(2) 目前,在MnZn鐵氧體承燒時,使用Y-PSZ材料的承燒板最為合適。在高溫下與鐵氧體反應(yīng)最少,有利于保持鐵氧體的磁導(dǎo)率,而且長時間使用可以保持其物理性能,不易開裂、變形等。
(3) Ca-PSZ材料經(jīng)熱處理后單斜鋯含量高于Y-PSZ材料,這會造成材料性能下降。
參考文獻
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