專利名稱：一種形狀記憶陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形狀記憶陶瓷，尤其是涉及一種以含鈰和釔的二氧化鋯為基的形狀記憶陶瓷。
形狀記憶效應(yīng)的性能指標(biāo)有形狀恢復(fù)率(Shape recovery rate)和可恢復(fù)應(yīng)變(reversible strain)等。為了將形狀記憶陶瓷用于儀器儀表、自動(dòng)控制、工程測(cè)量和傳感技術(shù)等領(lǐng)域，人們總是希望得到形狀恢復(fù)率和可恢復(fù)應(yīng)變都較高的和可供應(yīng)用的形狀記憶陶瓷。但是，現(xiàn)有的二元ZrO2基形狀記憶陶瓷并不能滿足這種要求。
例如，在1986年美國的《自然》雜志中，M.V.Swain揭示了一種含有9.4mol％MgO的ZrO2基形狀記憶陶瓷，其晶粒約為50μm。在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，加熱至600℃以上時(shí)其形狀能恢復(fù)，但可回復(fù)或恢復(fù)應(yīng)變較小，僅為～0.42％。
在1988年美國J.American Ceramics Society雜志上，P.E.Reyes-Morel等人公開了一種12mol％Ce-TZP陶瓷，并發(fā)現(xiàn)該陶瓷具有偽彈性和形狀記憶效應(yīng)。在單軸壓縮時(shí)晶粒尺寸從1.0μm到2.8μm的材料形狀恢復(fù)率為≤90％，可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)椤?％。由此可見，含Ce的ZrO2的二元形狀記憶陶瓷的主要問題為可回復(fù)應(yīng)變較小和形狀恢復(fù)不完全。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是本發(fā)明的一個(gè)方面提供以含鈰和釔的二氧化鋯為基的形狀記憶陶瓷，其成分范圍為7～10mol％CeO2，0.2～0.8mol％Y2O3和余量為ZrO2。
如以上所述的形狀記憶陶瓷，其成分范圍較佳為7.5～8.5mol％CeO2，0.45～0.55mol％Y2O3和余量為ZrO2。
所述的形狀記憶陶瓷為四方氧化鋯多晶陶瓷，其具有在單軸壓應(yīng)力下5％的壓縮應(yīng)變可達(dá)到3～4％的偽彈性。
如上所述四方氧化鋯多晶陶瓷在可恢復(fù)應(yīng)變達(dá)1.2％時(shí)仍有95～100％的形狀恢復(fù)率。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種形狀記憶陶瓷的制備方法，其中，采用下列步驟用共沉淀法制備所述各成分的超細(xì)粉，在1500±20℃空氣中燒結(jié)4～6小時(shí)，燒結(jié)后逐漸冷卻，得到平均晶粒尺寸為0.9～1.1μm和致密度為5.9～6.1g/cm3的四方氧化鋯多晶陶瓷塊材。
本發(fā)明通過優(yōu)化成分、燒結(jié)工藝和熱處理等手段，獲得具有更佳形狀記憶效應(yīng)(SME)的含Ce和Y的ZrO2形狀記憶陶瓷，其可回復(fù)應(yīng)變達(dá)1.2％時(shí)有95～100％的形狀恢復(fù)率，同時(shí)保持高的動(dòng)作溫度和3～4％的偽彈性恢復(fù)。
圖2是一含有8mol％二氧化鈰-0.5mol％三氧化二釔-二氧化鋯的形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變-溫度曲線圖。
采用這種方法可制得平均晶粒尺寸為1.06μm和致密度為6.03g/cm3的四方氧化鋯多晶塊材，如
圖1所示。該多晶陶瓷的可恢復(fù)應(yīng)變和形狀恢復(fù)率的測(cè)試數(shù)據(jù)列于表1，而根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)制作的相應(yīng)的溫度—應(yīng)變和應(yīng)力—應(yīng)變的關(guān)系曲線示于圖2。從測(cè)試結(jié)果可看到，可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?.18％時(shí)，形狀恢復(fù)率仍為100％。
測(cè)試時(shí)，測(cè)得試樣的壓縮前長l1＝6.974mm，壓縮后長l0＝6.892，升溫至600℃再冷至室溫長l2＝6.974，并通過形狀恢復(fù)率η=l2-l0l1-l0×100%]]>的計(jì)算公式算出形狀恢復(fù)率，得到如前所述的形狀恢復(fù)率和可恢復(fù)應(yīng)變。
表1，8mol％CeO2-0.5mol％Y2O3-ZrO2材料形狀記憶效應(yīng)。
實(shí)施例2使用如同實(shí)施例1的制備和燒結(jié)方法制取成分為7.5mol％CeO2，0.45mol％Y2O3和余量為ZrO2的形狀記憶陶瓷，制得的四方氧化鋯塊材經(jīng)實(shí)施例1的同樣的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，得到可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?.2％，形狀恢復(fù)率為100％。
實(shí)施例3使用如同實(shí)施例1的制備和燒結(jié)方法制取成分為8.5mol％CeO2，0.55mol％Y2O3和余量為ZrO2的形狀記憶陶瓷，制得的四方氧化鋯塊材經(jīng)實(shí)施例1的同樣的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，得到可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?.1％，形狀恢復(fù)率為100％。
實(shí)施例4使用如同實(shí)施例1的制備和燒結(jié)方法制取成分為8mol％CeO2，0.6mol％Y2O3和余量為ZrO2的形狀記憶陶瓷，制得的四方氧化鋯塊材經(jīng)實(shí)施例1的同樣的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，得到可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?.0％，形狀恢復(fù)率為95～100％。很明顯，雖然本實(shí)施例也達(dá)到形狀記憶材料性能指標(biāo)，但在ZrO2的形狀記憶陶瓷中Y2O3含量的增加會(huì)影響到可恢復(fù)應(yīng)變和形狀恢復(fù)率的提高。
實(shí)施例5使用如同實(shí)施例1的制備和燒結(jié)方法制取成分為8mol％CeO2、0.75mol％Y2O3和余量為ZrO2的形狀記憶陶瓷，制得的四方氧化鋯塊材經(jīng)實(shí)施例1的同樣的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，得到可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?.0％，形狀恢復(fù)率為95～100％。所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)基本上接近實(shí)施例4的測(cè)試結(jié)果。
本發(fā)明材料系列為全新的三元ZrO2基形狀記憶陶瓷，在可恢復(fù)應(yīng)變達(dá)到1.0～1.2％的情況下，形狀恢復(fù)率均為90～100％。形狀恢復(fù)率和可恢復(fù)應(yīng)變均比含Ce的二元形狀記憶陶瓷有很大的提高。根據(jù)本發(fā)明的材料特別適用于特殊環(huán)境，如需高動(dòng)作溫度、耐蝕、絕緣和高強(qiáng)度的形狀記憶元件。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶陶瓷，其特征在于，所述的形狀記憶陶瓷以含鈰和釔的二氧化鋯為基，其成分范圍為7～10mol％CeO2，0.2～0.8mol％Y2O3和余量為ZrO2。
2.如權(quán)利要求1所述的形狀記憶陶瓷，其特征在于，所述的形狀記憶陶瓷成分范圍為7.5～8.5mol％CeO2，0.45～0.55mol％Y2O3和余量為ZrO2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶陶瓷，其特征在于，所述的形狀記憶陶瓷為四方氧化鋯多晶陶瓷，其具有在單軸壓應(yīng)力下5％的壓縮應(yīng)變可達(dá)到3～4％的偽彈性。
4.如權(quán)利要求3所述的形狀記憶陶瓷，其特征在于，所述四方氧化鋯多晶陶瓷在可恢復(fù)應(yīng)變達(dá)1.2％時(shí)有95～100％的形狀恢復(fù)率。
5.一種形狀記憶陶瓷的制備方法，其特征在于，采用下列步驟用共沉淀法制備所述各成分的超細(xì)粉，在1500±20℃空氣中燒結(jié)4～6小時(shí)，燒結(jié)后逐漸冷卻，得到平均晶粒尺寸為0.9～1.1μm和致密度為5.9～6.1g/cm3的四方氧化鋯多晶陶瓷塊材。
全文摘要
一種形狀記憶陶瓷及其制備方法。本發(fā)明的形狀記憶陶瓷以含鈰和釔的二氧化鋯為基，其成分范圍為7～10mol％CeO
文檔編號(hào)C04B35/486GK1453242SQ0211152
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月27日
發(fā)明者徐祖耀, 金學(xué)軍, 張玉龍 申請(qǐng)人:艾默生電氣(中國)投資有限公司