编号：NMJS09515
篇名： ZrO2晶须原位生长/锆掺杂协同强化磷酸铝胶的制备与性能研究
作者： 刘靖炫
关键词： 磷酸铝基耐高温胶; ZrO2陶瓷; Al2O3陶瓷; 热膨胀性能; 高温粘结效果; 粘结机理; ZrO2晶须强韧化;
机构：中国民航大学
摘要： 耐高温胶黏剂是航空航天领域的关键材料,针对当前磷酸铝基耐高温胶因与Al2O3/ZrO2等工程陶瓷之间存在热膨胀差异较大而无法为其提供高强度连接的技术瓶颈,本工作利用Zr（OH）4干预Al（OH）3与H3PO4的水热反应预制锆掺杂磷酸铝胶基液,并调控Si、B4C与Zr B2等添加剂,制备出了基于组分优化的热膨胀性能可调的磷酸铝/锆基耐高温胶。为进一步提高耐高温胶的强韧性,本工作还研究了ZrO2晶须外掺技术与原位生长技术对磷酸铝/锆基耐高温胶的结构优化效果。最终,通过组分与结构协同优化,制备出了可为Al2O3与ZrO2陶瓷提供高强度连接的高性能耐高温胶。主要研究结果总结如下: （1）以Si与B4C为添加剂,考察了Zr/Al比对耐高温胶机械性能、热性能、理化性质等的影响。锆的引入可以显著提高胶黏剂基体的热稳定性,并且Zr/Al比显著影响胶黏剂内部的各种反应过程,尤其是含锆化合物的类型。只有当Zr（OH）4与Al（OH）3的质量比为3:7时（A7Z3）,耐高温胶中的大多数含锆化合物才是ZrO2,这是其具有最高热膨胀系数（CTE）的关键原因。经1300℃处理后,A7Z3与Al2O3陶瓷的CTE之差小于1×10-6K-1。经1500℃热处理后,A7Z3对Al2O3陶瓷的室温粘结强度达到67.2MPa。经过1500℃预处理后,A7Z3对Al2O3陶瓷高温粘结强度在RT-1000℃范围内达到50MPa以上。在室温和1500℃之间经过40次热循环后,粘结强度仍达到10MPa。 （2）针对A7Z3对ZrO2陶瓷的弱粘结效果,进一步考察了Zr B2的引入及配比调控对耐高温胶粘结性能、热性能与理化性质等的影响,研发出了对ZrO2陶瓷提供高粘结的AZPSBZ耐高温胶。Zr B2的添加可抑制胶内Zr SiO4的生成,提高ZrO2的含量,从而进一步提高胶黏剂的CTE。经1500℃处理后,AZPSBZ的CTE可达约9×10-6/K,可为ZrO2陶瓷提供最高约41.2MPa的粘结强度。 （3）以合成的锆凝胶为晶须前驱体、Na3PO4与Ca F2为催化剂,900℃煅烧300min制备的ZrO2晶须生成率最高,且形态最均匀,长径比高达10:1,比表面积约为4.71m2/g。以外掺ZrO2晶须和ZrO2晶须原位生长两种形式分别对A7Z3与AZPSBZ胶黏剂进行强韧化。外掺4wt%ZrO2晶须的A7Z3在600℃处理后的粘结强度提升了约16.89%,外掺6wt%ZrO2晶须的AZPSBZ在600℃处理后的粘结强度提升了47.6%,然而外掺ZrO2晶须在1000-1500℃范围内的强化效果有限。添加14wt%晶须前驱体与催化剂的A7Z3胶黏剂在900-1300℃范围内的强化效果约20%。添加6wt%晶须前驱体与催化剂的AZPSBZ在900℃处理后的强度提高了约51.02%,并在900-1200℃范围内展现优异的强化效果。相比之下,原位生长强化的效果由于外掺强化。 本工作所研发的ZrO2晶须原位生长（结构优化）与锆掺杂（组分优化）协同改性磷酸铝基耐高温胶为新型胶黏剂的研发及应用推广提供了厚实的理论依据与数据支撑。