氧化鋯於還原氣氛下燒結對機械性質的影響 - 陶瓷暨電子材料實驗室

(1) 前言
前言
氧化鋯於還原氣氛下燒結對機械性質的影響
氧化鋯於還原氣氛下燒結對機械性質的影響
*劉軒志⎠ 段維新
國立岷台屲灣大學材料科學與工程學系
本岓實驗採用岦氧化釔安崎定的正岗方尣相氧化鋯(3YTZ)試樣在峹不同峧氣氛下進行燒結,並利用岦同峧步輻射繞射光峒束進行
表面相鑑定分析表面所產生岥的相變化、微結構觀察、雙軸向峭 four-ball test 強度測試觀察不同峧氣氛下燒結對氧
化鋯強度之間的關係。在峹此研究中以层兩種還原氣氛進行研究。分別為氮氫混和氣氛,氮氣=95%、氫氣=5%;
在峹石岳墨坩堝中以层炭粉覆蓋使得在峹燒結中產生岥 CO 還原氣氛。
關鍵字:氧化鋯(zirconia)、同峧步輻射(NSRRC.)、氣氛(atmosphere)
氧化釔安崎定的正岗方尣相氧化鋯(3YTZ)為一常用岦的結構陶
瓷材料,擁有高強度、高破裂韌性和高化學穩定性 [1],
而廣泛的應用岦在峹日尤常生岥活上。由岩前人的研究可屣得知氧化鋯由岩
於其相變韌化機制,因峴此有高破裂韌性、高破裂強度。本岓實
驗嘗試將氧化鋯放置於兩種不同峧的還原氣氛,分別為氮氫混
和氣(N 2/H 2)和一氧化碳(CO)中和一般在峹空氣中燒結的胚體
透過微結構觀察、同峧步輻射相鑑定分析並利用岦雙軸向峭 4 ball
test 的強度測試 [2]相互比尬較,來探討氧化鋯於不同峧氣
氛下燒結對機械性質的影響。
(2) 實驗方尣法
實驗方尣法
試樣製備
本岓研究使用岦正岗方尣相氧化鋯粉(3YTZ)為實驗的原始材
料。正岗方尣相氧化鋯粉為 TOSOH 公司屫, Japan 所製造。將粉岕
以层單軸預壓的方尣式於 13MPa 的壓力下將生岥胚成型,成型的
規格為直徑 1 inch 的圓片尴狀氧化鋯生岥胚。將成型後的生岥胚以层
無壓燒結的方尣式,燒結條件峋是以层 5℃/分的升溫速率加展熱到
1550℃持溫 1 小時進行燒結,再峘以层 5℃/分的降溫速率降到室
溫。得原始的氧化鋯試樣(A1)。將壓製完成的生岥胚置於管
心尚爐中通以层氮氫混和氣氛(N 2=5%/H 2=95%),燒結條件峋是以层
5℃/分的升溫速率加展熱到 1550℃持溫 1 小時進行燒結,再峘
以层 5℃/分的降溫速率降到室溫。得於氮氫混和氣氛下燒結的
氧化鋯試樣(A2)。將壓製完成的生岥胚置於石岳墨坩堝中並以层
碳粉填充屌其他屆空餘空間,利用岦在峹高溫下產生岥的一氧化碳還
原。燒結條件峋是以层 5℃/分的升溫速率加展熱到 1550℃持溫 1
小時進行燒結,再峘以层 5℃/分的降溫速率降到室溫。得於一氧
化碳下燒結的氧化鋯試樣(A3)。
相鑑定
本岓實驗利用岦台屲灣區國家型同峧步輻射研究中心尚(NSRRC)
威格束線BL-17B1同峧步輻射X-ray繞射源來執行分析燒結後
不同峧表面處的氧化鋯試樣A1、A2、A3進行表面的相鑑定。
入射的X-ray利用岦Si(111)雙晶單色器而成為一具能量8KeV
的單色入射波波長(λ=1.54975Å)。此處利用岦試樣與偵測器之
間有兩個成對的狹縫,則可屣在峹垂直的散射平岅面內將典型的
散射向峭量解析設定為~10 -4 nm -1 以层執行實驗。然後利用岦
theta–two theta 連續性掃描方尣式來測定出屒鏡像反射的繞射
結果。也因峴此每一個反射地峸曲線的發散性散射就可屣被小心尚
地峸扣除;此外屸非鏡向峭掃描則在峹相對於反射的位置並距離試
樣∆θ=0.04°處開始執行。對氧化鋯試樣的掃描角度則選定範
圍在峹27°~32°之間。
密度測試
將燒結後並進行不同峧表面處理的試樣 A1、A2、A3 以层
阿基米得法量測試樣並利用岦公式(1)算出屒試樣的視密度。
D =
( W
楊式模數量測
2
W1
W2
−W
−W3
) −
d
p
1
......( 1)
本岓實驗以层超音波探測技術(ultrasonic technique)量測楊
式模數[4]。燒結後圓片尴狀試樣之規格約為直徑 18.3mm、
厚度約為 2.5mm(視加展工量不同峧而略有變化)。
超音波探測可屣測得在峹試樣中橫波速率 Cp 以层及縱波速率
Cs,在峹利用岦公式(2)(3)(4)(5)便可屣得楊式模數(E)。

強度量測
…… (2)
…… (3)
…… (4)
…… (5)
本岓實驗以层雙軸向峭 4 ball test 的方尣式量測。在峹室溫下以层萬
能試驗機(CK10,Engineering System Co., U.K.)作為平岅台屲進
行測試,再峘利用岦公式(6)(7)得強度值 [3]。
σ
Cp
=
Cs =
max
λ + 2μ
ρ
μ
ρ
μ ⋅ ( 3λ
+ 2μ)
E =
λ + μ
λ
υ =
2(
λ + μ)
3P
RS
1+
υd
( 1−
υb)(
2RS
− R
= [( 1 + υ ) ln
2 d + +
2
2πt
R 2
4R
2
2
1 −υb
1−
υd
R 0.
7213
C = PD[
+ ] ......( 7)
E E
P:施加展的荷重(N)
t:試片尴厚度(mm)
υd:試片尴之 Poisson’s ratio
υb:支尟點圓球之 Poisson’s ratio
Rd:試片尴之半屜徑(mm)
b
C
Rs:下支尟點與試片尴中心尚點之距離為 4.85(mm)
Rc:上支尟點與試片尴之有效接觸半屜徑(mm)
D:上支尟點圓球之半屜徑(mm)
Eb:支尟點圓球之楊氏尮模數(Pa)
Ed:試片尴之楊氏尮模數(Pa)
微結構觀察和晶粒尺尓寸
d
d
2
2
C
)
]......( 6)
對強度測試後的試樣破斷面進行觀察。將試片尴利用岦碳
膠黏在峹載台屲上,鍍白岭金後利用岦掃瞄式電子顯微鏡
(SEM+EDS,LEO1530,Philip Netherland)做微結構的觀
察。將無表面處理的試樣冷鑲埋在峹環氧樹酯中進行表面研
磨拋光峒,以层鑽石岳拋光峒膜將試樣研磨拋光峒至 0.1µm,拋光峒後的
試樣在峹氣氛為空氣的條件峋下以层 5℃/分的升溫速率於 1400℃
熱腐蝕 0.3 小時使晶界顯現。將試片尴利用岦碳膠黏在峹載台屲上,
鍍金後利用岦掃瞄式電子顯微鏡(SEM+EDS,XL30,Philip
Netherland)做微結構的觀察,並利用岦 SEM 所得的微結構照
片尴配合峯截線法計算晶粒尺尓寸。
(3) 結果與討論
結果與討論
相鑑定
圖一為在峹不同峧氣氛燒結後氧化鋯試樣 two theta 介於
27°~32°之下的繞射圖。氧化鋯的主尾繞射峰 t(111)在峹空氣、
氮氫混和氣和石岳墨坩堝中不同峧環境下燒結,並無明顯差異。
此外屸在峹不同峧氣氛下燒結的試樣皆無 m 相生岥成。因峴此推測在峹不
同峧氣氛下對燒結並岔產生岥其他屆氧化鋯相。
微結構觀察和晶粒尺尓寸
燒結緻密後的試樣其破斷面觀察如崇圖二所示岴。於不同峧氣
氛燒結下,試樣在峹破斷模式上並沒有明顯的差異,其破壞模
式皆為穿晶、沿晶破壞混合峯。值得注意的是在峹石岳墨坩堝中燒
結的試樣中試樣接觸碳粉的部份峏有異常大的晶粒產生岥如崇圖
二(d)所示岴。不同峧氣氛下燒結的氧化鋯試樣研磨拋光峒面如崇圖
三所示岴。利用岦 SEM 圖片尴和截線法可屣得於不同峧氣氛下的晶粒尺尓
寸如崇表四屶所示岴(石岳墨坩堝部分不考慮異常大晶粒部分)在峹石岳
墨坩堝中的試樣不論是在峹異常大晶粒部份峏和小晶粒部份峏皆
有孔洞的崊在峹,在峹大晶粒部份峏中孔洞不止尩崊在峹於晶界處,在峹
晶粒中亦岿可屣見孔洞的崊在峹。
密度量測
表一為不同峧氣氛下燒結後的試樣的相對密度。在峹空氣和
氮氫混和氣氛下燒結的試樣其相對密度皆可屣達 99%以层上,而
在峹石岳墨坩堝中燒結的燒結的試樣相對密度為 95.9%。於 SEM
圖片尴中可屣發現在峹石岳墨坩堝中的試樣內有孔洞的崊在峹,而在峹空
氣和氮氫混和氣氛下燒結的試樣則鮮少有孔洞的崊在峹。推測
石岳墨坩堝中的試樣其孔洞的崊在峹,可屣能是導因峴於異常大晶粒
的形成。推測異常大晶粒的形成是由岩於當晶粒成長階段晶粒
成長迅速造成內部孔洞來不及到表面釋放因峴此殘留於晶界
和晶粒中。因峴此使得緻密度降低。
楊式模數量測
使用岦超音波探測量測楊式模數所得的結果如崇表二所示岴。
在峹空氣中燒結的試樣和氮氫混和氣氛下燒結的試樣其揚式
模數相同峧,而在峹石岳墨坩堝中燒結的試樣略低。推測其導因峴於
石岳墨坩堝中燒結的試樣本岓身的相對密度岔達緻密因峴此造成
楊氏尮模數的下降。
強度量測
本岓實驗為了針對表面處理的不同峧並且尼避免導角或由岩於
其他屆因峴素而影響材料的強度值,因峴此採用岦雙軸向峭 4-ball test
的方尣法測定強度值[2],所得的結果如崇表三所示岴。在峹空氣中
燒結的試樣強度為 914MPa,在峹氮氫混和氣氛下燒結的試樣
為 920 MPa,而在峹石岳墨坩堝中燒結的試樣由岩於試樣接觸碳粉
部份峏有異常大晶粒生岥成;而接觸碳粉的部份峏並岔有此大晶粒
生岥成,因峴此於強度測試時分別以层這兩種不同峧晶粒組成的面作
為張力面。以层正岗常氧化鋯晶粒部分為張力面的試樣(A3)強度
值為 856MPa;而已異常大晶粒部分作為張力面的試樣(A4)
其強度值只屯剩下 617MPa。由岩此結果顯示岴在峹氮氫混合峯氣氛燒

結對於氧化鋯微結構和機械性質並岔產生岥明顯的影響;然而
當氧化鋯於石岳墨坩堝中燒結時,在峹接觸炭粉處會有異常大的
晶粒生岥成,此外屸試樣的緻密度下降內部出屒現孔洞,此種情形
尤尒其是在峹大晶粒處特別明顯。根據 Hall-Patch 方尣程式強度和
晶粒大小平岅方尣根成反比尬因峴此以层異常大晶粒部份峏作為張力面
的強度值偏低;而以层正岗常晶粒張力面其強度值仍較在峹空氣燒
結中的試樣低,推測導因峴於緻密度岔達完全峖緻密所導致。
(4) 結論
結論
氧化鋯(3YTZ)於不同峧種還原氣氛中燒結,會對其微
結構、機械性質產生岥影響。於本岓實驗中在峹氮氫混合峯氣氛中燒
結對氧化鋯機械性質方尣面影響較低;但在峹石岳墨坩堝中企峐圖以层
CO 還原的實驗中,則發現了在峹試樣邊緣有異常大的氧化鋯
晶粒出屒現,此外屸試樣的內部不論是正岗常氧化鋯晶粒和異常大
的氧化鋯晶粒部分皆岔達完全峖緻密,導致機械性質的下降。
(5) 參考文尠獻
參考文尠獻
[1] 何昌儒, “氧化鋯添加微量氧化鋯或鎳之機械性
質”.
[2] Jay-san Chen, “STANDARDISATION OF
FLEXURE TESTING OF ENGINEERING
CERAMICS”.
[3] J.D. Achenbach, “Wave propagatin in elastic solids,”
American Elsevi Pub. Co.
[4] Dae-Joon Kim, Hyung-Jin Jung, Duk-Ho Cho,
“Phase transformations of Y2O3 and Nb2O5 doped
tetragonal zirconia during low temperature aging in
air”.
[5] David J. Green, “A Technique for Introducing
Surface Compression into Zirconia Ceramics”.
相對密度
(%)
楊式模數
(GPa)
破裂強度
(MPa)
晶粒大小
(μm)
表一 不同峧氣氛下燒結氧化鋯相對密度值
Air
(A1)
N/H
(A2)
表二 不同峧氣氛下燒結氧化鋯楊式模數值
表三 不同峧氣氛下燒結氧化鋯強度值
表四屶 不同峧氣氛下燒結氧化鋯的晶粒大小
圖一 不同峧氣氛下燒結氧化鋯表面的繞射圖
CO
(A3)
99.3 99.5 95.9
Air
(A1)
N/H
(A2)
CO
(A3)
213±0.7 208±1.4 198±3.2
Air
(A1)
N/H
(A2)
CO
(A3)
CO
(A4)
914±34 920±46 856±48 617±59
Air
(A1)
N/H
(A2)
CO
(A3)
0.72 0.76 0.69

圖二(a) 氧化鋯於空氣中燒結的破斷面 SEM 影像
圖二(b) 氧化鋯於氮氫混和氣氛中燒結的破斷面 SEM
影像
圖二(c) 氧化鋯於石岳墨坩堝中燒結異常大晶粒部分
破斷面 SEM 影像
圖二(d) 氧化鋯於石岳墨坩堝中燒結小晶粒部分破斷
面 SEM 影像
圖三(a) 氧化鋯於空氣中燒結的試樣經熱腐蝕之後
的研磨拋光峒面 SEM 影像
圖三(b) 氧化鋯於氮氫混和氣氛中燒結的試樣經熱
腐蝕之後的研磨拋光峒面 SEM 影像
圖三(c) 氧化鋯於石岳墨坩堝中燒結的試樣經熱腐蝕
之後異常大晶粒部分研磨拋光峒面 SEM 影像
圖三(d) 氧化鋯於石岳墨坩堝中燒結的試樣經熱腐蝕
之後小晶粒部分研磨拋光峒面 SEM 影像