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孙晓玮
关键词：氧化铜;锆酸钡陶瓷;致密化 1引言 BaZrO3 属于ABO3 钙钛矿型氧化物。完美的钙钛矿结构非常简单，通式为ABO3，A 为一价或二价金属，而B为四价或五价金属。A 原子位于立方顶角，B 在体心，O在面心。由ABO3 钙钛矿型氧化物的结构可知，BaZrO3 的晶胞结构中Ba 为二价金属，而Zr 为四价金属。BaZrO3具有良好的机械强度，熔点高、化学稳定性好，是一种良好的高温应用材料，是制造高温超导体的良好基材。由文献可知，BaZrO3 的理论密度为6.242g/cm3，具有较小的热扩散系数，熔点为2600℃。在对BaZrO3 性质的研究过程中，由于BaZrO3 结构的兼容性和化学稳定性，BaZrO3可作为良好的高温应用基材，并在许多领域得到应用，如作为薄膜沉积的惰性底材，作为氧化物、非氧化物及贵金属合金熔化和烧结试验的坩埚。科学家發现BaZrO3可替代YSZ，用来作为超音速空气射流的热障涂层（TBC）材料。稀土掺杂BaZrO3 被证实是一种作为燃料电池固态电解质的良好质子导体。此外，有报道表明BaZrO3 也有可能成为湿度传感器材料[1-3]。 多年来，科研人员曾用不同的方法试验如何增强BaZrO3 陶瓷的致密性。曾有文献报道，Bi2O3 对陶瓷的烧结有促进作用，但实验证明其对BaZrO3 陶瓷致密化并没有什么影响[4]。资料显示，ZnO 是对BaZrO3 陶瓷最有效的烧结助剂[5]。由于CuO 与ZnO 性质相似，因此本文主要研究添加CuO 对BaZrO3 陶瓷致密化的影响。 2实验 2.1BaZrO3粉体制备 制备BaZrO3 粉体的试验方法很多，如固相法、液相法和Gel-casting 法。本文采用了方便，快捷，原料成本低的传统固相反应法[6]制备BaZrO3 粉体。以工业级BaCO3（纯度大于99.5%）和ZrO2 （纯度大于99.5%）为原料，按照（1）化学方程式的化学计量比称量原料。将称好的原料混合后，按质量比1：1.5 加入蒸馏水，球磨4 小时后烘干，将其在1400℃下煅烧并保温4 小时得到BaZrO3 粉体。 2.2添加BaZrO3陶瓷试样制备 将上述合成的BaZrO3 粉体平均分为3 组，分别加入0mol%， 2mol%， 4mol%的CuO 共同置于球磨罐中，球磨4小时后再进行烘干。通过冷等静压成型技术将3 组粉体制成圆片试样，将其在1400℃下煅烧并保温4 小时得到BaZrO3 陶瓷试样，并对其分别进行编号。 2.3试样表征 用D8 ADVANCE 型X- 射线衍射仪对3 组陶瓷试样进行物相分析。用Sirion 200 型场发射扫描电子显微镜对3 组陶瓷试样形貌进行对比分析。用游标卡尺、电子天平等仪器通过阿基米德法计算得到3 组陶瓷试样的密度，通过测量计算其线性收缩率。结合上述三种测量方法得到添加CuO 对BaZrO3 陶瓷致密化影响的研究。 3结果与讨论 3.1物相分析 如图1 所示为CuO 添加量为0mol%， 2mol%， 4mol%的BaZrO3 陶瓷试样在1400℃下煅烧并保温4 小时后得到的XRD 图谱。从图1 可以看出，添加CuO 后的BaZrO3图谱衍射峰与BaZrO3 标准图（JCPDS74-1299）相一致，未见其他物相生成。 3.2密度、线性收缩分析 利用阿基米德法测量添加CuO 后的BaZrO3 陶瓷的密度。实验将3 组试样分别置于干燥箱内干燥至完全不含水分，称其质量（干重）为m0;然后将其置于水中完全浸泡并煮沸半小时，称其在水中的质量（浮重）为m1;拭去其表面水分后称其质量（湿重）为m2。 通过测量圆片试样烧结前和烧结后的直径分别为l0和l1。 图2 可见大致规律，相对密度和线性收缩随着CuO含量的不断增加而增大。通过计算可得，未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷只能达到理论密度的64.8%，而CuO 添加量为4mol% 的BaZrO3 陶瓷试样可以达到理论密度的80.2%。 3.3微观形貌分析 图3 为不同含量CuO 的BaZrO3 陶瓷试样的扫描电镜图。用扫描电子显微镜（SEM）观察陶瓷断口的形貌、晶粒尺寸以及陶瓷的致密度。从图3 可以看出，试样晶粒尺寸随CuO 含量的增加而增大，其致密程度依次升高。 4结论 本文研究并成功制备添加了不同含量的CuO 的BaZrO3 陶瓷试样，其致密性明显高于未添加CuO 的BaZrO3 陶瓷。通过增加CuO 的添加量可以使BaZrO3 陶瓷试样的相对密度和线性收缩率升高，气孔率降低。因此，CuO 可以促进BaZrO3 陶瓷的致密程度。 |
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