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2222材料工程  2015, Vol. 43 Issue (7): 32-37    DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.006
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8YSZ陶瓷成型与烧结工艺的优化
任继文(), 成佐明
华东交通大学 机电工程学院, 南昌 330013
Molding and Sintering Processing Optimization of 8YSZ Ceramic
Ji-wen REN(), Zuo-ming CHENG
School of Mechanical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
全文: PDF(2094 KB)   HTML ( 48 )  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为了改善8YSZ陶瓷的力学性能,以8YSZ双粒度粉体为研究对象,对其进行干压成型、无压烧结实验.对成型压力、保压时间及黏结剂用量等成型工艺参数进行了优化;利用正交实验对烧结方案进行了设计,讨论了烧结温度、升温速率、保温时间、烧结方式等烧结工艺参数对8YSZ陶瓷烧结性能和力学性能的影响,并优化出其烧结工艺参数.结果表明:选取PVA加入量10%(质量分数)、成型压力10MPa、保压时间30s的成型工艺参数,可压制出相对密度为54.9%的陶瓷坯体;选取烧结温度1500℃,保温时间4h,升温速率5℃/min,烧结方式裸烧的烧结工艺参数,可制备出相对密度为98.3%,抗弯强度为100.3MPa的8YSZ陶瓷.
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任继文
成佐明
关键词 ： 8YSZ,  干压成型,  烧结,  正交实验,  优化    
Abstract：

In order to improve the mechanical properties of 8YSZ ceramic, the 8YSZ bimodal particle sizes powders were dry pressed and pressureless sintered. The molding process parameters including the molding pressure, pressure holding time and dosage of binder were optimized. The sintering scheme based on orthogonal test was designed. The influence of the sintering process parameters including sintering temperature, heating rate, holding time, sintering method on the sintering properties and mechanical properties of 8YSZ was discussed and their optimization value were obtained. The results show that the green ceramic with the relative density of 54.9% can be obtained by adopting the optimized molding process parameters with the dosage of PVA of 10%(mass fraction), the forming pressure of 10MPa, the pressure holding time of 30s. The 8YSZ ceramic with the relative density of 98.3% and the bending strength of 100.3MPa can be prepared by adopting the optimized sintering process parameters with the sintering temperature of 1500℃, holding time of 4h, heating rate of 5℃/min, sintering methods of naked burning.
Key words： 8YSZ    dry pressing    sintering    orthogonal test    optimization
收稿日期: 2014-03-28      出版日期: 2015-07-27
基金资助:国家自然科学基金(51162008);江西省自然科学基金(20114BAB206001)
通讯作者: 任继文     E-mail: renjiwen@163.com
作者简介: 任继文(1969-),男,博士,教授,研究方向是气体传感器,联系地址:华东交通大学机电工程学院(330013),E-mail:renjiwen@163.com
引用本文:   
任继文, 成佐明. 8YSZ陶瓷成型与烧结工艺的优化[J]. 材料工程, 2015, 43(7): 32-37.
Ji-wen REN, Zuo-ming CHENG. Molding and Sintering Processing Optimization of 8YSZ Ceramic. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(7): 32-37.
链接本文:  
http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.07.006      或      http://jme.biam.ac.cn/CN/Y2015/V43/I7/32
Fig.1  试样制备工艺流程
Pressure/MPa Dwell time/s
10 20 30 40 50 60
0 (a) (a) (a) (a) (a) (a)
3 (b) (b) (b) (b) (b) (b)
5 (c) (c) (c) (c) (c) (c)
8 (c) (c) (c) (c) (c) (c)
10 (c) (c) (c) (c) (c) (c)
12 (d) (d) (d) (d) (d) (d)
15 (e) (e) (e) (e) (e) (e)
20 (f) (f) (f) (f) (f) (f)
Table 1  8YSZ陶瓷坯体成型实验结果
Fig.2  坯体的不同外观情况
(a)径向裂纹;(b)断口不平齐;(c)完好坯体;(d)表面脱落;(e)翘曲;(f)严重层裂
Fig.3  成型压力与坯体密度的关系
Fig.4  保压时间与坯体密度的关系
Fig.5  黏结剂用量与成型极限压力的关系
Number of powder Limited pressure/MPa Green density/(g·cm-3)
N-1 5 2.865
N-2 7 2.924
N-3 8 3.062
N-4 10 3.239
N-5 14 3.158
N-6 22 3.002
Table 2  各自极限压力下的坯体密度比较
Level Factor
Sintering temperature(A)/℃ Heating rate(B)/(℃·min-1) Holding time(C)/h Sintering method(D)
1 1300 3 2 Uncovered sintering
2 1400 5 3 Covered sintering
3 1500 7 4 Covered sintering
Table 3  正交实验因素水平表
Number ofexperiment Factor Experiment specification
A B C D Relative density/% Bending strength/MPa
1 1 1 1 1 82.4 74.4
2 1 2 2 2 85.8 78.3
3 1 3 3 3 87.6 80.8
4 2 1 2 3 92.3 89.2
5 2 2 3 1 94.8 94.8
6 2 3 1 2 91.2 87.8
7 3 1 3 2 96.2 98.5
8 3 2 1 3 95.0 93.5
9 3 3 2 1 95.8 96.2
Relative density/% K1 255.8 270.9 268.6 273.0
K2 278.3 275.6 273.9 273.2
K3 287.0 274.6 278.6 274.9
85.3 90.3 89.5 91.0
92.8 91.9 91.3 91.1
95.7 91.5 92.9 91.6
R 10.4 1.6 3.4 0.6
μ A3 B2 C3 D3
The optimal level：A3C3B2D3
Bending strength/MPa K1 233.5 262.1 255.7 265.4
K2 271.8 266.6 263.7 264.6
K3 288.2 264.8 274.1 263.5
77.8 87.4 85.2 88.5
90.6 88.9 87.9 88.2
96.1 88.3 91.4 87.8
R 18.3 1.5 6.2 0.7
μ A3 B2 C3 D1
The optimal level:A3C3B2D1
Table 4  正交实验结果表
Fig.6  正交实验烧结温度与值关系
Fig.7  正交实验升温速率与值关系
Fig.8  正交实验保温时间与值关系
Fig.9  正交实验烧结方式与值关系
The effect order on experimentspecifications and the optimal level Experiment specification
Relative density Bending strength
Sintering temperature 1500℃(A3) 1500℃(A3)
Holding time 4h(C3) 4h(C3)
Heating rate 5℃/min(B2) 5℃/min(B2)
Sintering methods Uncovered
sintering(D3)		 Covered
sintering(D1)
Table 5  正交实验各影响因素优化结果
Fig.10  优化工艺参数下制备出的试样表面微观形貌图
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