不同烧结温度下TiO2掺杂对YSZ陶瓷强度的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1200

摘要/Abstract

摘要：

氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷因高强度、耐高温和生物相容性优异而成为机械、电子等领域的重要材料，但其烧结温度过高导致能耗与成本攀升，在保证性能前提下降低烧结温度已成为当前研究的热点。本文采取常压烧结法在不同烧结温度下制备了不同TiO₂掺量的YSZ陶瓷，系统研究了在不同烧结温度下TiO₂掺量对YSZ陶瓷致密性、相组成和力学性能的影响。结果表明，TiO₂的掺入可以降低YSZ陶瓷的烧结温度，促进晶粒生长和烧结致密化，有利于四方相氧化锆的稳定。在较低烧结温度（1 350、1 400 ℃）时，YSZ陶瓷的抗折强度随TiO₂掺量（0.5%~0.7%，摩尔分数）的提高呈先降低后增强趋势，7.0%TiO₂掺量的YSZ陶瓷的抗折强度最高，分别为530.4和576.3 MPa。在较高烧结温度（1 450、1 500 ℃）时，微量TiO₂（0.5%~1.0%）的掺入可提高YSZ陶瓷的抗折强度，而随着TiO₂掺量的提高，YSZ陶瓷的抗折强度总体呈逐渐下降的趋势。其中1 450 ℃下1.0% TiO₂掺量的YSZ陶瓷抗折强度为660.7 MPa，1 500 ℃下0.5% TiO₂掺量的YSZ陶瓷抗折强度为633.1 MPa。

关键词: TiO₂, YSZ, 相对密度, 抗折强度, 相组成, 晶粒尺寸

Abstract:

Yttria stabilized zirconia （YSZ） ceramics have emerged as an important material in mechanical and electronic applications owing to their high strength， excellent high-temperature resistance and good biocompatibility. However， the excessively high sintering temperature results in high energy consumption and costs. Therefore， the current research focus on finding ways to lower the sintering temperature while maintaining performance. YSZ ceramics with varying TiO₂ content were prepared by atmospheric pressure sintering at different temperatures. The effect of TiO₂ content on the densification， phase composition and mechanical properties of YSZ ceramics at different sintering temperatures was systematically studied. The results show that the doping of TiO₂ can reduce the sintering temperature of YSZ ceramics， promote grain growth and sintering densification， and is beneficial to stabilize tetragonal phase zirconia. At lower sintering temperatures （1 350， 1 400 ℃）， the flexural strength of YSZ ceramics decreases first and then increases with increasing TiO₂ content （0.5%~7.0%， mole fraction）. The flexural strength of YSZ ceramics with 7.0% TiO₂ is the highest， reaching 530.4 and 576.3 MPa， respectively. At higher sintering temperatures （1 450， 1 500 ℃）， flexural strength generally declines with increasing TiO₂ content， and only trace content （0.5%~1.0%） exhibiting a strengthening effect. Specifically， the flexural strength of YSZ ceramics doping with 1.0% TiO₂ at 1 450 ℃ is 660.7 MPa， and that of YSZ ceramics doping with 0.5% TiO₂ at 1 500 ℃ is 633.1 MPa.

Key words: TiO₂, YSZ, relative density, flexural strength, phase composition, grain size

中图分类号:

TQ174

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图/表 9

图1 不同TiO2掺量TiO2-YSZ陶瓷的相对密度

Fig.1 Relative density of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

图2 不同TiO2掺量TiO2-YSZ陶瓷的收缩率

Fig.2 Shrinkage rate of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

图3 不同TiO2掺量TiO2-YSZ陶瓷的XRD谱

Fig.3 XRD patterns of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

图4 不同TiO2掺量TiO2-YSZ陶瓷的四方相体积分数

Fig.4 Tetragonal phase volume fraction of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

图5 不同烧结温度下不同TiO2掺量的TiO2-YSZ陶瓷XRD局部放大谱

Fig.5 Local magnified XRD patterns of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content at different sintering temperatures

图6 不同烧结温度下不同TiO2掺量的TiO2-YSZ陶瓷的断面形貌SEM照片

Fig.6 SEM images of cross-sectional morphology of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content at different sintering temperatures

图7 不同TiO2掺量的TiO2-YSZ陶瓷的平均晶粒尺寸

Fig.7 Average grain size of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

图8 1 450 ℃烧结的YSZ陶瓷断面的EDS谱

Fig.8 EDS spectra of cross-section of YSZ ceramics sintered at 1 450 ℃

图9 不同TiO2掺量TiO2-YSZ陶瓷的抗折强度

Fig.9 Flexural strength of TiO2-YSZ ceramics with different TiO2 content

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不同烧结温度下TiO₂掺杂对YSZ陶瓷强度的影响

Effect of TiO₂Doping on Strength of YSZ Ceramics at Different Sintering Temperatures

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