一種納米陶瓷刀具及其製備方法
2023-06-26 02:01:56
一種納米陶瓷刀具及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及納米陶瓷刀具及其製備方法，該納米陶瓷刀具的組成可以是氧化釔穩定氧化鋯，包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈦之中的一種或多種第三組分組成協同摻雜，其含量分別是：氧化鋯80~95wt%、氧化釔2~8wt%、氧化鋁0~20wt%、氧化鎂0~5wt%、氧化鈣0~4wt%、氧化鈦0~0.5wt%、其他稀土氧化物0~2wt%。該方法製備的納米陶瓷刀具生坯體在1300～1350℃煅燒後，理論密度達到99.7%，抗彎強度高、斷裂韌性好而且工藝簡單，易於規模化生產。
【專利說明】一種納米陶瓷刀具及其製備方法
[0001]本發明請求本 申請人:於2013年9月29日向中國國家知識產權局提交的申請號為CN201310451741.7，發明名稱為「一種納米陶瓷刀具及其製備方法」的中國發明專利申請的優先權，上述申請的全部內容以引用方式併入本文。
【技術領域】
[0002]本發明涉及納米陶瓷刀具及其製備方法，屬於氧化鋯精細陶瓷材料【技術領域】。
【背景技術】
[0003]氧化鋯複合陶瓷是二十世紀七十年代發展起來新型結構陶瓷。由於它具有十分優異的物理、化學性能，特別是添加少量的氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁及其他稀土氧化物做穩定劑穩定ZrO2四方相，ZrO2複合陶瓷因具有很高的室溫抗彎強度和斷裂韌性而引起人們的廣泛關注，不僅在科研領域已經成為研究熱點，而且在工業生產中也得到了廣泛的應用。它是一類極有發展前途的新型結構陶瓷。
[0004]氧化鋯複合陶瓷刀具有硬度高、耐腐蝕性強、化學穩定性好、高耐磨性等特點，外型美觀精緻玉質感強，刃口鋒利無比，能切割鋼鐵等物質，能削出如紙一樣薄的肉片；硬度高，其耐磨性是金屬刀的60倍；切割很多東西後仍保持鋒利，不會與食物發生化學反應，產生異味；易清潔，完全無磁性；不生鏽變色，健康環保。氧化鋯陶瓷刀作為寶石級陶瓷餐具深受人們的青睞，已經走進了千家萬戶。
[0005]氧化鋯陶瓷刀具的成型方法也較多，有流涎法、溶膠凝膠法、凝膠法、注射成型、冷等靜壓等成型方法。
[0006]鄧湘凌《超強超韌陶瓷刀具及其製作方法》公開了一種氧化鋯複合陶瓷刀具的製備方法，採用氧化鋯、氧化釔及其他稀土混合造粒，壓機壓制，低溫預燒，低溫熱處理，等離子燒結，打磨拋光。
[0007]劉詩雨《塗布法製備氧化鋯陶瓷刀的方法》公開了一種用塗布法製備氧化鋯陶瓷刀的方法，以直徑為0.1-3.0um的含有3%mol Y2O3穩定劑的氧化鋯粉料採用流延成型製備氧化鋯陶瓷刀法。
[0008]奧列格.葉夫根尼耶維奇.波羅丁科夫《以二氧化鋯為基的材料，由二氧化鋯為基的材料製成的外科切割工具，由二氧化鋯為基的材料製成的工具》公開了由二氧化鋯為基的材料製成的外科切割工具的製備方法。
[0009]CN102260078A公開一種氧化鋯陶瓷，其包括基體、燒結助劑、氧化釹、添加劑；所述基體為氧化釔穩定的氧化鋯；所述添加劑選自氧化鋅、碳酸鋇和氟化鈣中一種或幾種；陶瓷製備方法包括(I)氧化釹預處理:將氧化釹顆粒加入到二乙醇胺溶液中浸泡，然後固液分離；(2)模壓燒結:將基材、步驟(1)處理後的氧化釹顆粒、燒結助劑、添加劑球磨混合，後模壓成形，再高溫燒結而成。該陶瓷被廣泛應用於如刀具等各個領域。
[0010]目前氧化鋯陶瓷刀具的製作大部分都是將氧化鋯、氧化釔及其他添加劑混合球磨造粒，由於各組分是機械混合，導致材料中各組分分散不均，製備的刀具高溫煅燒會產生變形，嚴重影響刀具的韌性和強度。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在於提供一種易於工業化大生產納米陶瓷刀具及其製備方法。該方法製備的納米陶瓷刀具粉體具有原始粒徑超細、分布範圍窄、組分分散均勻、團聚少、燒結活性高及流動性良好的性能該刀具超強度、高韌性、耐腐蝕、抗老化、玉質感強等特點。該方法製備的納米陶瓷刀具生坯體在1300~1350°C熱壓煅燒後，理論密度達到99.7%，刀具的抗彎強度、斷裂韌性分別達到1150~1400 M Pa、9~12 M Pa.m-2。而且工藝簡單、成本較低、易於規模化生產。
[0012]本發明的氧化鋯納米陶瓷刀具材料，是由四方氧化鋯作基體，氧化釔作穩定劑。氧化鋯陶瓷在高溫冷卻時發生由t-Zr02 — H1-ZrO2的相轉變，氧化鋁的加入也有利於防止及減少氧化鋯相轉變時發生的體積收縮，能對氧化釔穩定氧化鋯的四方晶相起協同效應，提高其穩定效果，同時也能提高陶瓷刀具的燒結的緻密度；氧化鋁彈性模量高，能提高材料的強度、硬度和耐磨性等力學性能；氧化鈦固融於氧化鋁和氧化鋯中可以降低材料的燒結溫度，縮短燒結時間，增強材料的抗熱震性能，提高陶瓷刀具的抗老化能力。
[0013]實現上述目的所採取的技術方案:
一種納米陶瓷刀具，屬於氧化鋯複合陶瓷刀具材料，可以是氧化釔穩定四方氧化鋯，包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鐵之中的一種或多種第三組分組成摻雜體系協同穩定氧化鋯的四方晶相，提高了氧化鋯複合陶瓷刀具的抗老化能力。納米氧化鋯複合陶瓷刀具材料，其特徵在於，其含量分別是:氧化錯8(T95wt%、氧化乾2、wt%、氧化招(T20wt%、氧化鎂O~5wt%、氧化韓0~4wt%、氧化鈦0~0.5wt%、其他稀土氧化物0~2wt%。
[0014]一種納米刀具的製備方法，該納米陶瓷刀具製備方法包括:步驟1:以ZrOCl2.SH2O, Y2O3為原料同時加入第三組分組配成混合水溶液，攪拌下加入沉澱劑有機鹼或無機鹼，製得氫氧化物沉澱物；步驟2:將氫氧化物經微波水熱反應；步驟3:將納米粉體通過球磨攪拌；步驟4:洗滌、乾燥造粒得到納米陶瓷刀具粉體；步驟5:將造粒粉進行幹壓製得到坯體；步驟6:之後在等靜壓機緻密化；步驟7:將壓實的坯體送入推板窯中第一次燒結；步驟8將第一次燒結的半成品放到熱壓爐二次成燒；步驟9:在打磨、拋光、開刃製得刀具成品。
[0015]對材料測試方法:
(1)採用透射電鏡(TEM)對納米粒子進行形貌分析；
(2)掃描電鏡(SEM)觀察陶瓷刀斷口形貌；
(3)陶瓷材料試驗機上用三點彎曲法測抗彎強度；
(4)利用單邊切口梁法測定陶瓷刀具的斷裂韌性；
(5)用維氏硬度計測定陶瓷刀具的硬度；
(6)用阿幾米阿德排水法測陶瓷刀具的密度。
[0016]與現有的技術相比本發明具有如下優點:
1、該發明所述的氧化鋯複合陶瓷刀具材料是以氧化釔穩定四方氧化鋯作為基體，包括氧化鋁、氧化鈰、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、二氧化矽之中的一種或多種第三組分組成的摻雜體系協同增韌、穩定四方晶相氧化鋯；特別是添加微量的氧化鈦對氧化鋯複合陶瓷刀具的抗老化能力有明顯的提聞。
[0017]2、該方法製備的納米陶瓷刀具粉體具有原始粒徑超細、分布範圍窄、組分分散均勻、團聚少、燒結活性高及流動性良好的性能。
[0018]3、該刀具超強度、高韌性、耐腐蝕、抗老化、玉質感強等特點。該方法製備的納米陶瓷刀具生坯體在1300~1350°C熱壓煅燒後，理論密度達到99.7%，刀具的抗彎強度、斷裂韌性分別達到1150~1400 M Pa、9~12 M Pa.m-2。而且本發明工藝簡單、成本較低、易於規模化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖對本發明詳述
圖1實施例3中氧化鋯複合陶瓷刀具粉TEM圖。
[0020]圖2實施例3中氧化鋯複合陶瓷刀具斷口的SEM照片。 【具體實施方式】
[0021]為了更好地理解本發明，下面結合具體實施例對本發明作了詳細說明。
[0022]下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但並不作為對本發明限制的依據。
[0023]實施例1
(1)以ZrOCl2.8H20、Y2O3為原料同時加入第三組分組配成混合水溶液，混合溶液中Zr4+濃度為0.8mol/L,各組分結合其氧化物含量分別是:氧化鋯80wt%、氧化釔8wt%、氧化鋁6wt%、氧化鎂3wt%、氧化韓3wt% ；
(2)攪拌下向混合溶液中加入沉澱劑，生成氫氧化沉澱物，所加入得沉澱劑是有機鹼乙二胺。
[0024](3)將製得氫氧化物經微波水熱分解反應生成氧化物，微波水熱在特製的反應釜中，微波水熱分解反應生成氧化物，微波水熱溫度180°C。
[0025](4)將水熱生成的納米氧化物球磨攪拌，球磨時間5小時；
(5)將球磨後的納米粉體進行洗滌；
(6)將洗滌好的納米粉添加適量蒸餾水和0.2%粘結劑進行噴霧乾燥製得到納米氧化鋯複合陶瓷刀造粒粉；
(7)將製得的造粒粉進行幹壓製得到坯體；該步驟中，根據刀具形狀及尺寸製作相應的模具，壓機成型壓力可以是15MPa ；
(8)將步驟(7)得到的坯體在經等靜壓機壓實緻密，等靜壓壓力為160M Pa；
(9)將壓實的坯體送入中溫推板窯一次燒結，高溫區溫度110(Tl20(rC；
(10)將一次燒結的半成品放到熱壓爐二次成燒，高溫區溫度130(Tl350°C；
(11)將成燒後的毛坯進行打磨、拋光、開刃製得刀具成品，在該步驟中，將成燒後的毛坯通過金剛砂輪進行粗磨、精磨。拋光時將刀具放到拋光機，同時加入特製的拋光液進行鏡面拋光；
該方法製備的納米陶瓷刀具生坯體在1350°C熱壓煅燒後，利用阿幾米阿德排水法測定陶瓷刀具的密度6.05g/cm3，理論密度達到99.7%，用三點彎曲法測定刀具的抗彎強度為1150~1400 M Pa ;採用單邊切口梁法測定陶瓷刀具的斷裂韌性為9.8 M Pa.m_2。[0026]實施例2
(I)以ZrOCl2.8Η20、Υ203為原料同時加入第三組分組配成混合水溶液，混合溶液中Zr4+濃度為2mol/L,結合其氧化物含量分別是:氧化錯95wt%、氧化釔2wt%、氧化鎂lwt%、氧化鐵
0.5wt%、氧化鋪 1.5wt%。
[0027](2)攪拌下向混合溶液中加入沉澱劑，生成氫氧化沉澱物，所加入得沉澱劑是無機鹼氫氧化鈉。
[0028](3)將製得氫氧化物經微波水熱分解反應生成氧化物，微波水熱在特製的反應釜中，微波水熱分解反應生成氧化物，微波水熱溫度200°C。
[0029](4)將水熱生成的納米氧化物球磨攪拌，球磨時間6小時；
(5)將球磨後的納米粉體進行洗滌；
(6)將洗滌好的納米粉添加適量蒸餾水和5%粘結劑進行噴霧乾燥製得到納米氧化鋯複合陶瓷刀造粒粉；
(7)將製得的造粒粉進行幹壓製得到坯體；該步驟中，根據刀具形狀及尺寸製作相應的模具，壓機壓力可以是20MPa ；
(8)將步驟(7)得到的坯體在經等靜壓機壓實緻密，等靜壓壓力為200M Pa；
(9)將壓實的坯體送入 中溫推板窯一次燒結，高溫區溫度110(Tl20(rC；
(10)將一次燒結的半成品放到熱壓爐二次成燒，高溫區溫度130(Tl380°C；
(II)將成燒後的毛坯進行打磨、拋光、開刃製得刀具成品，在該步驟中，將成燒後的毛坯通過金剛砂輪進行粗磨、精磨。拋光時將刀具放到拋光機，同時加入特製的拋光液進行鏡面拋光；
該方法製備的納米陶瓷刀具生坯體在1380°C熱壓煅燒後，利用阿幾米阿德排水法測定陶瓷刀具的密度6.08g/cm3，理論密度達到99.7%，用三點彎曲法測定刀具的抗彎強度為1200~1400 M Pa ;採用單邊切口梁法測定陶瓷刀具的斷裂韌性為10.2 M Pa.m_2。
[0030]實施例3
在實施例2中，加入含氧化鈦的第三組分，使氧化鈦含量為0.2wt%,氧化鈰含量為
1.3wt%，其它不變進行試驗。
[0031]實施例4
在實施例2中，加入含氧化鈦的第三組分，使氧化鈦含量為0.5wt%,氧化鈰含量為lwt%,其它不變進行試驗。
[0032]實驗例I抗熱震性試驗分析
將實施例2、3、4所製備的刀具進行打磨拋光後放入100°C水浴中煮48小時，取出進行相分析及測定陶瓷刀具的斷裂韌性。結果如下表1所示:
表1陶瓷刀具熱震性試驗結果
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從實施例2、3、4抗熱震性試驗分析可知，當陶瓷刀具中添加微量的氧化鈦時，刀具的斷裂韌性有明顯的提高，經煮沸後，實施例3、4所生產刀具的斷裂韌性還很強，說明添加微量的氧化鈦刀具的抗熱震性有出人意料地提高。
[0033]另外，圖1為實施例3中氧化鋯複合陶瓷刀具粉TEM圖。從圖1可以看出納米陶瓷刀具粉的粒徑小於50納米。圖2為實施例3中氧化鋯複合陶瓷刀具斷口的SEM照片。從圖2可以看出在1380度煅燒下，陶瓷刀具斷口非常緻密粉，團聚粒徑少於I微米。
[0034]本發明的陶瓷刀具及其製備方法不是局限於上述的內容，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形`和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種納米陶瓷刀具，其特徵組成在於該納米陶瓷刀具的組成是氧化釔穩定氧化鋯，包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈦之中的一種或多種第三組分組成協同摻雜，其含量分別是:氧化錯80~95wt%、氧化乾2~8wt%、氧化招O~20wt%、氧化鎂O~5wt%、氧化|丐O~4wt%、氧化鈦(T0.5wt%、其他稀土氧化物(T2wt%。
2.根據權利要求1所述的納米陶瓷刀具，其特徵在於，第三組分中氧化鈦的含量為0.2^0.5wt%。
3.根據權利要求1所述的納米陶瓷刀具，其特徵在於，其他稀土氧化物為氧化鈰、氧化鑭、氧化釹中的一種或多種稀土混合。
4.一種納米陶瓷刀具的製備方法，該納米陶瓷刀具製備方法包括: (1)以ZrOCl2.8H20、Y2O3為原料同時加入第三組分組配成混合水溶液,攪拌下加入沉澱劑及分散劑，製得沉澱物； (2)將步驟(1)製得沉澱物經微波水熱分解反應生成納米氧化物粉體； (3)將步驟(2)生成的氧化物球磨攪拌； (4)將步驟(3)納米粉體進行洗滌； (5)將步驟(4)乾燥造粒得到納米陶瓷刀具粉； (6)將步驟(5)製得的造粒粉進行幹壓製得到坯體； (7)將步驟(6)得到的坯體在等靜壓機中緻密化； (8)將步驟(7)壓實的坯體送入推`板窯一次燒結； (9)將步驟(8)—次燒結的半成品放到熱壓爐二次燒結； (10 )將步驟(9 )成燒後的毛坯進行打磨、拋光、開刃製得刀具成品。
5.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(1)中，所加入得沉澱劑有機鹼是乙二胺、苯胺、氫氧化四甲胺、六次甲基四胺、二異丙基乙基氨、四甲基氫氧化銨、三乙醇胺、單乙醇胺甲醇鈉、乙醇鉀、叔丁醇鉀、烷基金屬鋰化合物、丁基鋰、苯基鋰、胺基鋰化合物、二異丙基胺基鋰、六甲基二矽胺基鋰的一種或幾種有機鹼混合；無機鹼是氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水。
6.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(2)中，將氫氧化物放置在特製的反應釜中，微波水熱分解反應生成氧化物；微波水熱溫度13(T50(TC。
7.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(2)中，微波水熱時間可以是45~180min。
8.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(3)中將水熱生成的氧化物球磨攪拌處理，球磨時間廣10小時。
9.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(5)中，粉料乾燥造粒時必須加入粘結劑，粘結劑含量為0.2^5% (佔粉體的百分含量)，得到納米陶瓷刀具粉。
10.根據權利要求4所述一種納米陶瓷刀具的製備方法，其特徵是；在步驟(6)中將製得的造粒粉進行幹壓時，壓機成型壓力為8~30 M Pa。
【文檔編號】C04B35/49GK103708832SQ201310743054
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】羅忠義, 王恩遠 申請人:雅安遠創陶瓷有限責任公司