学术论文
RESEARCH
43相对体积/%
210
ZrO2
ZrO2（W）/ZrO2
ZrO2晶须、ZrO2(w)/ZrO2粉体前驱体在500℃下焙烧后以及相应坯体经1 100~1 400℃烧结后的XRD图谱
焙烧温度为500℃见图4。可见，ZrO2晶须为四方相；
时，ZrO2(w)/ZrO2粉体前驱体全部以四方相存在；ZrO2(w)/ZrO2粉体前驱体坯体经1 100℃烧结后仍以四方相形态存在，但经1 200℃烧结后出现少量单斜相。随着温度升高，单斜相的含量并没有明显增加，经1 400℃烧结后仍有50%以上的四方相存在。由此可见，四方ZrO2晶须在1 400℃以下是稳定的，并且四方ZrO2晶须的加入有效抑制了四方ZrO2在1 100℃以上时向单斜相的转变。四方ZrO2对隔热性能有较好的贡献[5]，而且多孔材料比致密材料的隔热性能好，因此，通过添加四方ZrO2晶须并在1 100℃下对坯体进行烧结，既可以得到四方晶相，又可以保留一定的气孔率，有希望获得热物理性能优良的多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料。
）四方相（ZrO2
单斜相（ZrO2）
0.010.11.0孔径/μm
10100
图5 多孔ZrO2陶瓷和ZrO2（W）/ZrO2
复合材料的孔径分布
Fig.5 Pore size distributions of porous ZrO2 ceramic
and porous ZrO2（W）/ZrO2 composite
1 400℃强度（任意单位）
1 300℃1 200℃1 100℃500℃ZrO2晶须20
30
405060
衍射角2θ/（°）
7080
图4 ZrO2晶须、ZrO2（W）/ZrO2粉体前驱体和多孔ZrO2（W）/ZrO2复合材料的XRD图谱
Fig.4 XRD patterns of ZrO2 whisker, ZrO2(w)/ZrO2powder precursor and porous ZrO2(w)/ZrO2 composite
2.3 添加四方ZrO2晶须对材料微结构的影响
根据上述XRD分析，将1 100℃下烧结的2种多孔材料作为研究对象，研究添加四方ZrO2晶须对多孔ZrO2陶瓷微结构和性能的影响。
2种多孔材料的密度和开气孔率如表1所示。可以看出，与多孔ZrO2陶瓷相比，多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料具有更高的开气孔率和更低的密度。ZrO2和ZrO2(w)/ZrO2坯体经过1 100℃烧结后的孔径分布见图5。多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料的平均孔径比多孔ZrO2陶瓷大。多孔ZrO2陶瓷表现为多孔径分布，主孔径约为4μm；多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料表现为单孔径分布，主孔径约为10μm。1 100℃下烧结的多孔ZrO2陶瓷和多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料的断口SEM照片见图6。多孔ZrO2陶瓷内部气孔相对较少，而且气孔较小；多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料中大量的ZrO2晶须分布在ZrO2基体中，ZrO2晶
须间相互交错形成了许多孔隙。
2.4 添加四方ZrO2晶须对材料性能的影响
材料的相成分和气孔率对其热导率有极重要的影响[7-11]。1 100℃下烧结的多孔ZrO2陶瓷的热导率为0.802W/（m·K），四方ZrO2晶须的加入大幅度降低了多孔ZrO2陶瓷的热导率（单斜ZrO2陶瓷的热导率为5.0W/（m·K），四方ZrO2陶瓷的热导率为2.0W/（m·K））[7]。材料的热导率随着气孔率的增大而大幅度降低，本课题中气孔率对热导率的影响更明显。B. Nait-Ali[7]等发现，8% 摩尔分数Y2O3稳定ZrO2陶瓷（气孔率为68%）的热导率为0.270 W/（m·K），本课题中1 100℃下烧结的多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料（气孔率为67.5%）呈单孔径分布，孔径分布更加集中[10]，隔热性能进一步提高，热导率仅为0.108W/（m·K）。
1 100℃下烧结的多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料与多孔ZrO2陶瓷材料受压时的载荷位移曲线见图7。多孔ZrO2陶瓷材料气孔率为37.5%，抗压强度为1.1MPa；而多孔ZrO2(w)/ZrO2复合材料气孔率为67.5%，抗压强度为3.3MPa。陶瓷材料的气孔率与抗压强度之间的关系为[8]
p) ， σ= σ0·exp(-b· (1)
σ0为致密材料的抗压强度，σ是气孔率为p时的式中，
抗压强度，常数b为材料的孔特征参数（由孔径和材料粒径等因素决定）。由此可见，材料的抗压强度和气孔率呈指数关系，材料的气孔率越大，抗压强度越小，而增
表1 多孔ZrO2陶瓷和ZrO2(w)/ZrO2
复合材料的密度和开气孔率
78
航空制造技术·2010 年第 11 期