稀土掺杂8YSZ粉体及陶瓷的制备与性能研究

摘要

氧化锆具有高韧性，高抗弯强度，熔点高达2715℃，高电阻率，高折射率，低热膨胀系数，耐磨损，抗腐蚀性优异、优良的高温化学稳定性和声子能量低等特点，是一种非常重要的结构和功能材料，在航空、航天及国防工业领域具有广泛的应用前景。此外，氧化锆作为一种优异的稀土发光基质材料，在其中掺杂Ho3+和Yb3+可以拓宽其在光功能透明陶瓷中的应用。 本文以ZrOCl2·8H2O，Y2O3，Yb2O3，Ho2O3等为原料，采用化学共沉淀法制备了8 mol%Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)和Ho3+/Yb3+：8YSZ粉体，并使用氢气气氛烧结制备了8YSZ陶瓷。研究了烧结助剂及烧结工艺对8YSZ陶瓷显微组织和力学性能的影响，并研究了煅烧温度和Ho3+、Yb3+浓度对纳米粉体发光性能的影响。 研究结果表明：采用共沉淀法制备的8YSZ纳米粉体，不同醇水比例下呈现单一的立方相ZrO2。在醇水比例R=1.0，煅烧温度为1000℃下制备出的8YSZ纳米粉体呈现近球形颗粒，粒度分布均匀，粒径为20 nm左右，分散性较好。 通过改变烧结助剂的种类和含量，添加烧结助剂的试样的相对密度、硬度和断裂韧性均高于纯8YSZ试样，且随着烧结助剂的含量的升高呈现先升高后降低的趋势，在ZnO、TiO2、La2O3的含量均为1 wt.%时达到最大值。不同醇水比值下，1000℃煅烧下制备的8YSZ粉体掺杂1 wt.%ZnO成型后，经过200 MPa冷等静压，在1550℃下烧结10 h，在R=1.0时制备的陶瓷晶粒大小均匀，约为20-25μm，组织致密，相对密度、维氏硬度和断裂韧性最佳，分别为98.89%、1369 HV和3.06 MPa·m1/2。相比于R=0时制备的8YSZ粉体在同种烧结工艺下得到的8YSZ陶瓷，其力学性能更优。 Ho3+/Yb3+:8YSZ纳米粉体的上转换发光强度随着煅烧温度的升高而不断升高，在煅烧温度为1200℃时上转化发光强度达到最大；其荧光强度随着煅烧温度的升高呈现先升高后降低的趋势，在煅烧温度为1000℃时达到最大值。Ho3+/Yb3+:8YSZ纳米粉体的上转换发光和荧光强度均随着 Ho3+、Yb3+掺杂浓度的提高呈现先升高后降低的趋势，在Ho3+、Yb3+掺杂浓度分别为0.2 mol%和10 mol%时达到最大值。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 ZrO2基陶瓷概述

1.3 8YSZ陶瓷的制备

1.4 稀土发光材料概述

1.5 论文的研究目的及内容

第2章 实验过程及方法

2.1 实验方法

2.2 实验过程

2.3 材料的测试与表征

第3章 8YSZ粉体制备及表征

3.1 TG-DTA分析

3.2 IR分析

3.3 XRD分析

3.4 8YSZ前驱体及粉体形貌分析

3.5 本章小结

第4章 8YSZ陶瓷制备及性能分析

4.1 冷等静压对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.2 煅烧温度对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.3 烧结助剂对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.4 烧结温度对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.5 保温时间对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.6 不同醇水比例对8YSZ陶瓷烧结性能的影响

4.7 本章小结

第5章 Ho3+/Yb3+：8YSZ纳米粉体发光性能研究

5.1 XRD分析

5.2 Ho3+/Yb3+：8YSZ纳米粉体荧光发光性能研究

5.3 Ho3+/Yb3+：8YSZ纳米粉体上转换发光性能研究

5.4 Ho3+/ Yb3+：8YSZ纳米粉体的发光机理研究

5.5 本章小结

第6章 结论与前景展望

6.1 结论

6.2 前景展望

参考文献

论文发表情况

致谢

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