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CN1453242A一种形状记忆陶瓷及其制备方法[caired.com-彩红网3D模型下载平面素材专利检索网站源码]

一种形状记忆陶瓷及其制备方法。本发明的形状记忆陶瓷以含铈和钇的二氧化锆为基,其成分范围为7~10mol%CeO
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技术领域

本发明涉及一种形状记忆陶瓷,尤其是涉及一种以含铈和钇的二氧化锆为基的形状记忆陶瓷。

形状记忆效应的性能指标有形状恢复率(Shape recovery rate)和可恢复应变(reversible strain)等。为了将形状记忆陶瓷用于仪器仪表、自动控制、工程测量和传感技术等领域,人们总是希望得到形状恢复率和可恢复应变都较高的和可供应用的形状记忆陶瓷。但是,现有的二元ZrO2基形状记忆陶瓷并不能满足这种要求。

例如,在1986年美国的《自然》杂志中,M.V.Swain揭示了一种含有9.4mol%MgO的ZrO2基形状记忆陶瓷,其晶粒约为50μm。在四点弯曲试验中,加热至600℃以上时其形状能恢复,但可回复或恢复应变较小,仅为~0.42%。

在1988年美国J.American Ceramics Society杂志上,P.E.Reyes-Morel等人公开了一种12mol%Ce-TZP陶瓷,并发现该陶瓷具有伪弹性和形状记忆效应。在单轴压缩时晶粒尺寸从1.0μm到2.8μm的材料形状恢复率为≤90%,可恢复应变为≤1%。由此可见,含Ce的ZrO2的二元形状记忆陶瓷的主要问题为可回复应变较小和形状恢复不完全。

实现上述目的的技术方案是:本发明的一个方面提供以含铈和钇的二氧化锆为基的形状记忆陶瓷,其成分范围为:7~10mol%CeO2,0.2~0.8mol%Y2O3和余量为ZrO2。

如以上所述的形状记忆陶瓷,其成分范围较佳为:7.5~8.5mol%CeO2,0.45~0.55mol%Y2O3和余量为ZrO2。

所述的形状记忆陶瓷为四方氧化锆多晶陶瓷,其具有在单轴压应力下5%的压缩应变可达到3~4%的伪弹性。

如上所述四方氧化锆多晶陶瓷在可恢复应变达1.2%时仍有95~100%的形状恢复率。

本发明的另一个方面提供一种形状记忆陶瓷的制备方法,其中,采用下列步骤:用共沉淀法制备所述各成分的超细粉,在1500±20℃空气中烧结4~6小时,烧结后逐渐冷却,得到平均晶粒尺寸为0.9~1.1μm和致密度为5.9~6.1g/cm3的四方氧化锆多晶陶瓷块材。

本发明通过优化成分、烧结工艺和热处理等手段,获得具有更佳形状记忆效应(SME)的含Ce和Y的ZrO2形状记忆陶瓷,其可回复应变达1.2%时有95~100%的形状恢复率,同时保持高的动作温度和3~4%的伪弹性恢复。

图2是一含有8mol%二氧化铈-0.5mol%三氧化二钇-二氧化锆的形状记忆效应的应力-应变-温度曲线图。

采用这种方法可制得平均晶粒尺寸为1.06μm和致密度为6.03g/cm3的四方氧化锆多晶块材,如图1所示。该多晶陶瓷的可恢复应变和形状恢复率的测试数据列于表1,而根据上述测试数据制作的相应的温度—应变和应力—应变的关系曲线示于图2。从测试结果可看到,可恢复应变为1.18%时,形状恢复率仍为100%。

测试时,测得试样的压缩前长l1=6.974mm,压缩后长l0=6.892,升温至600℃再冷至室温长l2=6.974,并通过形状恢复率η=l2-l0l1-l0×100%]]>的计算公式算出形状恢复率,得到如前所述的形状恢复率和可恢复应变。

表1,8mol%CeO2-0.5mol%Y2O3-ZrO2材料形状记忆效应。

实施例2使用如同实施例1的制备和烧结方法制取成分为7.5mol%CeO2,0.45mol%Y2O3和余量为ZrO2的形状记忆陶瓷,制得的四方氧化锆块材经实施例1的同样的测试方法进行测试,得到可恢复应变为1.2%,形状恢复率为100%。

实施例3使用如同实施例1的制备和烧结方法制取成分为8.5mol%CeO2,0.55mol%Y2O3和余量为ZrO2的形状记忆陶瓷,制得的四方氧化锆块材经实施例1的同样的测试方法进行测试,得到可恢复应变为1.1%,形状恢复率为100%。

实施例4使用如同实施例1的制备和烧结方法制取成分为8mol%CeO2,0.6mol%Y2O3和余量为ZrO2的形状记忆陶瓷,制得的四方氧化锆块材经实施例1的同样的测试方法进行测试,得到可恢复应变为1.0%,形状恢复率为95~100%。很明显,虽然本实施例也达到形状记忆材料性能指标,但在ZrO2的形状记忆陶瓷中Y2O3含量的增加会影响到可恢复应变和形状恢复率的提高。

实施例5使用如同实施例1的制备和烧结方法制取成分为8mol%CeO2、0.75mol%Y2O3和余量为ZrO2的形状记忆陶瓷,制得的四方氧化锆块材经实施例1的同样的测试方法进行测试,得到可恢复应变为1.0%,形状恢复率为95~100%。所得到的测试数据基本上接近实施例4的测试结果。

本发明材料系列为全新的三元ZrO2基形状记忆陶瓷,在可恢复应变达到1.0~1.2%的情况下,形状恢复率均为90~100%。形状恢复率和可恢复应变均比含Ce的二元形状记忆陶瓷有很大的提高。根据本发明的材料特别适用于特殊环境,如需高动作温度、耐蚀、绝缘和高强度的形状记忆元件。

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