彩色氧化锆陶瓷烧结工艺研究

摘要

ZrO2是一类先进的新型陶瓷材料，具有优良的导电性能、高的热膨胀系数、低的摩擦系数、化学稳定性极高且具有抗腐蚀和抗侵蚀能力。在所有的陶瓷材料内，ZrO2的高温稳定性最优、隔热性最好、热导率最低且其热膨胀系数与金属相近。ZrO2特有的马氏体相变使得其成为复合材料中性能优异的增强剂。ZrO2除了优异的力学性能外还具备着较高的折射率。用其制备的彩色半透明多晶材料，即可如天然宝石一般绚丽多彩又可像宝石首饰般五彩斑斓。
　　彩色氧化锆陶瓷表面具有色彩鲜艳、金属光泽度较高、不与皮肤产生过敏反应等特点。因此彩色氧化锆逐渐地取代金属首饰的市场地位。目前彩色氧化锆的颜色较为单一，主要存在黑色和白色，且仅在口腔医学中的研究较多，颜色和色泽饱满度并不优异。大多数的陶瓷材料着色剂在高温下容易分解而导致致色效果差、色彩鲜艳度较低。因此本文利用氧化钴和偏钒酸铵作彩色氧化锆着色剂，经过高温烧结制备蓝色和金色氧化锆陶瓷，并对其结果进行测试分析，研究出最佳着色剂添加配方和最佳烧结工艺。
　　首先对彩色氧化锆的制备工艺进行了研究，分析探讨了不同添加量的着色剂和不同烧结温度对彩色氧化锆颜色的影响并找出最佳配方和最优烧结温度。结果表明：
　　(1)烧结温度从1450℃增加到1500℃时，蓝色氧化锆的颜色逐渐加深，且表面光滑均匀；提高烧结温度至1550℃，蓝色氧化锆颜色变浅；当烧结温度为1500℃时，Co2O3的添加超过0.3wt.％后，蓝色氧化锆的颜色没有发生明显的变化。随着Co2O3的添加，其密度、相对密度和抗弯强度也未出现较明显差异，但在Co2O3添加量为0.9wt.%时出现最大值。故蓝色氧化锆的最佳制备工艺为，在氧化锆粉体中添加0.9wt.%的CO2O3，球磨混合后制备生毛坯，在1500℃下烧结成瓷。
　　(2)随着偏钒酸铵的质量分数的增加，金色氧化锆的颜色不断加深，且颜色均匀性增强。烧结温度的增加有利于金色氧化锆成色，同时增强其色泽度。随着偏钒酸铵的添加，金色氧化锆的密度和力学性能不断提高，着色剂的增加不仅使得金色氧化锆的颜色更加鲜艳而且抑制了氧化锆的晶体生长，加强了其力学性能。故金色氧化锆的最佳制备工艺为：在氧化锆粉体中添加0.9wt.%的偏钒酸铵，球磨混合后制备生毛坯，在1550℃下烧结成瓷。
　　随后研究了不同添加量的氧化铝对彩色氧化锆的力学性能的影响及烧结温度和氧化铝添加量对彩色氧化锆颜色的影响。结果分析表明：蓝色氧化锆的抗弯强度和断裂韧性随着烧结温度的上升先增加后降低，抗弯强度从626.78MPa上升到758.12MPa然后降低至720.37MPa，断裂韧性从9.1MPa·m1/2上升到10.7MPa·m1/2然后降至10.1MPa·m1/2；金色氧化锆的抗弯强度和断裂韧性随着烧结温度的上升一直增加，抗弯强度从613.26MPa增加到876.07MPa，断裂韧性从8.7MPa·m1/2增加到11.2MPa·m1/2。蓝色氧化锆的力学性能在1500℃时达到最高值，金色氧化锆则在1550℃达到最高值。金色氧化锆和蓝色氧化锆的抗弯强度和断裂韧性随着氧化铝添加量的增加先增强后降低，并在添加25wt.%的氧化铝时达到最高值。此时蓝色氧化锆的抗弯强度为840.68MPa，断裂韧性为12.6MPa·m1/2，金色氧化锆的抗弯强度为975.33MPa，断裂韧性为13.8MPa·m1/2。随着氧化铝的添加，蓝色氧化锆的颜色先增强后减弱，且在添加量为25wt.%的时候蓝色氧化锆式样颜色较好、色泽度较高、光泽度较强、颜色均匀性好且有一定的镜面效果；金色氧化锆的颜色也先加深后变淡，同样在氧化铝添加量为25wt.%时金色氧化锆的色彩最为鲜艳，且颜色均匀性最好。

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