磷酸鋯高級陶瓷---低膨脹、耐高溫、高強度

近年來，在低膨脹材料領域研究人員正尋求耐高溫的高強度、高穩定的低膨脹材料，涉及到電子、通訊、環保、生物、醫學、交通、航天和工程結構等廣泛的應用技術領域。其中，熱膨脹性是材料的—個重要的基本性能，材料的抗熱震性，複合材料及其力學材料，鍍膜和塗層，封接和梯度功能，精密測量等都與熱膨脹有關。

因此，改善材料的熱膨脹性，是科研人員開發新材料時面臨的—個重要的研究課題。鋰質低膨脹耐熱陶瓷具有優異耐高溫、抗熱震性能以及高溫化學穩定性而備受材料工作者的青睞，被廣泛應用於窯具、感應加熱部件(如微波爐墊片)、高溫夾具、電阻絲線圈、高壓輸電絕緣子、天文望遠鏡鏡坯、高溫輻射擋板、家庭用耐熱餐具，以及熱電偶保護管等。

目前常用的鋰質低膨脹材料主要是鋰輝石質。但自然界的鋰輝石是以a一鋰輝石的形式存在，由於僅一鋰輝石轉變為高溫穩定的B一鋰輝石時會發生約30％的體積膨脹，因此必須預先煅燒鋰輝石酬，導致了鋰輝石質瓷成本上升。

實驗結果

有實驗表明添加5wt％的磷酸鹽粉體後，陶瓷具有最低的膨脹係數為1.38 X 10-6/℃，進一步提高磷酸鹽的添加量，復相陶瓷的熱膨脹係數隨添加量的增加而提高。產生這一現象的原因主要是儘管加入的是已經合成的磷酸鋯鈉粉體，但從粉體的XRD中可以看出，其中還含有一定量的ZrP207，使其熱膨脹係數不一定都下降。此外，由於添加的磷酸鋯鈉粉體在已經存在液相燒結的陶瓷體中，部分Na*離子可能溶出進入玻璃相中，而含Na*離子的玻璃相具有很高的熱膨脹係數和極好的助熔效果，這也是為何隨著磷酸鋯鈉粉體添加量的增加，其燒結溫度下降的原因。隨著磷酸鋯鈉粉體添加量的增加，Na20的含量逐漸增加，這部分Na*離子不一定均形成磷酸鋯鈉晶體，所以，過多的加入磷酸鋯鈉粉體反而會提高復相陶瓷的膨脹係數。

磷酸鋯陶瓷優勢

1、磷酸鋯的低膨脹性

磷酸鋯從室溫至1100℃表現為正膨脹，其膨脹系 數為1.710-6/℃。但磷酸鋯燒結材料，隨著燒結溫度 的升高、高溫燒成時間的延長，其熱膨脹係數下降，特別是在1400℃以後，負膨脹百分率增大。

浙江大學材料系王秀芳等針對燒結溫度、燒結時間對磷酸鋯陶瓷的膨脹係數的影響，作了對比實驗如圖

圖 1 為磷酸鋯粉體中添加2wt%Ni2O3 為燒結促進 劑，在不同溫度下燒結2 小時陶瓷的熱膨脹曲線。由 圖可以看出，隨著燒結溫度的升高，陶瓷的熱膨脹系 數就下降，負膨脹百分率越來越大。

圖 2 為磷酸鋯粉 體中添加2wt%mgo 作燒結促進劑，在 1300℃溫度燒結不同時間所獲得的熱膨脹曲線。由圖可以看出， 隨著燒結時間的延長，陶瓷的熱膨脹係數下降，負膨 脹率越來越大；1300℃下燒結8 小時的磷酸鋯陶瓷的 負膨脹最大，正膨脹係數最低；而在1300℃下燒結1 個小時的陶瓷之正膨脹係數表現為最大值。造成如圖 1、圖 2 結果的原因主要是磷酸鋯材料隨著燒成溫度的 升高，逐步向緻密化深入之後，進一步提高燒成溫度 或延長燒結時間，將使晶粒異常長大，當達到臨界尺 寸後，由於熱膨脹係數的各向異性，而產生微裂紋，溫度越高，時間越長，晶粒長得越大，產生的微裂紋也 越大。這些微裂紋為各晶粒的膨脹提供了場地，晶粒膨脹被裂紋所消化吸收，因此表現出熱膨脹係數下降， 負膨脹百分率增大現象。故通過控制磷酸鋯材料的燒 結溫度與時間，可以調節磷酸鋯材料的熱膨脹係數。

2、磷酸鋯的燒結性

純磷酸鋯在1600℃也不易燒結，但結構穩定。1600℃以上磷酸鋯發生緩慢的分解，緻密度下降。故磷酸鋯的燒結溫度控制在1600℃以下。降低磷酸鋯的燒結溫度主要是添加能形成磷酸鹽液相的金屬氧化物。有ZnO、MgO、Nb2P5、Ta2O5、TiO2 等。若需提高材料的使用溫度，應選擇能形成高熔點液相的金屬氧化物作燒結促進劑，如 Ta2O5、TiO2。磷酸鋯材料在1400℃以後，隨著溫度的升高，其晶粒也加速長大，特別是在高溫期長時間加熱，晶粒長得更大，產生的微裂紋也越多，雖然其熱膨脹係數下降，但也帶來負面效果，導致強度下降。如添加 TiO25wt% 的磷酸鋯材料在1600℃燒結30 分鐘，其抗 折強度只有50Mpa。

3、磷酸鋯陶瓷

近來，隨著高新技術的發展，對材料性能的要求越來越高。如納米粉的自蔓延製作技術、超細r —氧 化鐵粉的製作、高精度稀土冶煉等對承燒器具的要求。不僅要求具有良好的熱穩定性、化學穩定性，而且要 有較高的強度抵禦熱應力及粉體膨脹力對器具的破壞。以往的低膨脹承燒器具強度較低，不能適用。磷酸鋯 陶瓷具有低熱膨脹，耐高溫、高強度、化學穩定性好 等優良性能，有望在高新技術領域得到應用。