一種協同增韌氧化鋁陶瓷及其製備方法

2023-06-13 23:34:51

專利名稱：一種協同增韌氧化鋁陶瓷及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種協同增韌氧化鋁陶瓷及其製備方法，屬於材料科學技術領域。
背景技術：
氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩定的物質，具有機械強度大、硬度高、耐磨、耐高溫、耐 腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，加上其價格低廉，已經成為目前應用最廣的結 構陶瓷及功能陶瓷材料，在航天、航空、發動機耐磨部件、電子瓷、陶瓷閥芯、刀具等方面均 得到了廣泛應用。氧化鋁陶瓷材料的結構屬於剛玉型，其本身具有離子鍵的特性，使得滑移系的數 量遠比不上金屬，導致其缺乏一定的韌性與塑性，斷裂韌性通常只有3 4MPa · m"2，這大 大限制了氧化鋁陶瓷的廣泛應用，同時極大地降低了氧化鋁陶瓷製品的成品率、使用壽命， 以及工作可靠性和使用安全性。當將氧化鋁陶瓷製品在燒結後進行機械磨屑與拋光的過程 中，由於機械加工過程中的應力作用，會使韌性較低的氧化鋁陶瓷製品出現脆裂，由此導致 加工過程中大量廢品的產生；此外，在實際使用過程中的氧化鋁陶瓷製品，經常會受到熱衝 擊與機械衝擊的作用，當環境衝擊力超過氧化鋁陶瓷自身的強度韌性承受範圍時，陶瓷製 品立即產生斷裂，從而影響其工作可靠性和使用安全性。因而，提高氧化鋁陶瓷的韌性是氧 化鋁陶瓷製品迫切需要解決的重要課題。為提高氧化鋁陶瓷的韌性，科研工作者對氧化鋁陶瓷的增韌途徑及增韌機理展開 了廣泛研究，主要集中在通過顆粒增韌、相變增韌、纖維增韌等來提高氧化鋁陶瓷的韌性。 劉軍等(佛山陶瓷，1994，4 10-14)對硬質顆粒彌散強韌化氧化鋁陶瓷進行了闡述，當在氧 化鋁中添加TiC顆粒時，能夠顯著改善氧化鋁陶瓷的強韌性，其抗彎強度可達850MPa，斷裂 韌性可達4. 5MPa ·πι1/20鍾金豹等(工具技術，2008，10 :51_54)在氧化鋁基體中添加15wt% 的納米3Y-Zr02，陶瓷的抗彎強度達到766. 74MPa、斷裂韌性超過6. 13MPa · m1/20張建良等 (矽酸鹽學報，1994，1 :97-101)對碳纖維補強氧化鋁陶瓷展開研究，採用熱壓的方法製備 了碳纖維/氧化鋁複合陶瓷，與未添加碳纖維的氧化鋁陶瓷相比，其抗彎強度有明顯提高， 但斷裂韌性提高不大。中國專利(ZL200610091975. 5)公開了一種莫來石纖維增韌氧化鋁 陶瓷的製備方法，通過在氧化鋁陶瓷中添加莫來石纖維以及其它助溶劑，使氧化鋁陶瓷材 料的抗彎強度提高了 2 3倍，斷裂韌性提高了 4 5倍。近年來，將幾種增韌過程結合起來探索更進一步提高陶瓷系統抗斷裂能力的途徑 逐漸引起人們的興趣。如郭小龍等(青島大學學報，2003，3 32-36)採用&02的相變強韌化 和納米SiC顆粒的彌散強韌化，發現兩個因素的協調作用能使強韌化的效果增大。通過多種 強化與增韌的配合，尋找合適的材料配方及製備途徑，利用其協同效應儘可能提高氧化鋁陶 瓷的韌性，是優化氧化鋁陶瓷性能的最佳途徑，也是目前陶瓷材料強韌化領域的研究熱點。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用納米顆粒、二氧化鋯相變、SiC晶須等協同作用來提高氧化鋁陶瓷韌性的材料組成及其製備方法。 本發明提出的協同增韌氧化鋁陶瓷，其原材料的重量份數組成為矽的化合物0.01 5份
鋯的化合物0.05 20份
釔的化合物0.01 2份
SiC晶須0..01 5份
氧化鋁粉體75 95份上述的矽的化合物為矽溶膠和正矽酸乙酯中的至少一種；所述的鋯的化合物為硝 酸鋯、醋酸鋯和氯化鋯中的至少一種；所述的釔的化合物為硝酸釔、醋酸釔和氯化釔中的至 少一種。本發明提出的協同增韌氧化鋁陶瓷的製備方法，包括下述步驟(1)將矽的化合物、鋯的化合物、釔的化合物溶解於水或無水乙醇中，混合攪拌均 勻，同時加入適量的PH值調節劑將混合溶液的pH值調至4. 5 7. 5 ；(2)將SiC晶須與氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，然後放入球磨罐中進行球 磨；(3)將上述球磨後的混合物置於80°C 120°C進行乾燥，然後在800°C 1200°C進 行煅燒，得到白色的陶瓷粉體；(4)向上述陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合後進行造粒、成型、 排膠，然後在1600°C 1700°C進行燒結，獲得的協同增韌氧化鋁陶瓷。上述的PH值調節劑為硝酸、醋酸或者氨水。本發明製備工藝簡單，通過對混合溶液pH值的調節，促使矽的化合物發生凝膠化 轉變，使得矽、鋯、釔的化合物在分子級水平混合後均勻包覆在氧化鋁粉體顆粒的表面，從 而實現陶瓷中各組分的均勻分布；在800°C 1200°C進行煅燒後，將獲得納米級的Si02、 ZrO2, Y2O3粉體，在陶瓷成型過程中可以填補氧化鋁粉體顆粒的間隙，促進陶瓷素坯密度的 提高。發明的協同增韌氧化鋁陶瓷利用納米SiO2顆粒、二氧化鋯相變、SiC晶須等的協同作 用，有效提高陶瓷的韌性。
具體實施例方式
下面結合實例對本發明作進一步描述。實施例1 稱取1份矽溶膠溶解於去離子水中形成0. 2mol/l的溶液，稱取10份硝酸鋯溶解 於無水乙醇中形成0. 2mol/l的溶液，稱取0. 5份硝酸釔溶解於無水乙醇中形成0. 2mol/l 的溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然後加入5ml濃度為10%的硝酸將混合溶液的pH 值調至5. 0。將0. 5份SiC晶須與88份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中 進行球磨；將上述球磨後的混合物置於90°C的烘箱中進行乾燥，然後在1100°C煅燒，得到 白色的陶瓷粉體。向上述陶瓷粉體中添加8份聚乙烯醇水溶液，充分混合後進行造粒，然後 在120Mpa的壓力下成型，排膠後在1650°C保溫2小時對陶瓷進行燒結。測試陶瓷的力學性能，其抗彎曲強度為821. 62MPa，斷裂韌性為7. ISMPa · m1/20實施例2
稱取0. 5份正矽酸乙酯溶解於無水乙醇中形成0. 2mol/l的溶液，稱取20份醋 酸鋯溶解於去離子水中形成0. 5mol/l的溶液，稱取1.2份醋酸釔溶解於無水乙醇中形成 0. 8mol/l的溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然後加入80ml醋酸將混合溶液的pH值 調至6. 0。將1份SiC晶須與77份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中進行 球磨；將上述球磨後的混合物置於95°C的烘箱中進行乾燥，然後在1150°C煅燒，得到白色 的陶瓷粉體。向上述陶瓷粉體中添加9份聚乙烯醇水溶液，充分混合後進行造粒，然後在 120Mpa的壓力下成型，排膠後在1650°C保溫2小時對陶瓷進行燒結。測試陶瓷的力學性能，其抗彎曲強度為906. 21MPa，斷裂韌性為9. 03MPa · m1/20實施例3 稱取2份矽溶膠溶解於去離子水中形成0. 5mol/l的溶液，稱取15份氯化鋯溶解 於無水乙醇中形成0. 5mol/l的溶液，稱取1份氯化釔溶解於去離子水中形成0. 2mol/l的 溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然後加入80ml醋酸將混合溶液的pH值調至5. 5。將2 份SiC晶須與80份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中進行球磨；將上述球 磨後的混合物置於85°C的烘箱中進行乾燥，然後在1200°C煅燒，得到白色的陶瓷粉體。向 上述陶瓷粉體中添加8. 5份聚乙烯醇水溶液，充分混合後進行造粒，然後在120Mpa的壓力 下成型，排膠後在1650°C保溫2小時對陶瓷進行燒結。測試陶瓷的力學性能，其抗彎曲強度為895. 43MPa，斷裂韌性為8. 67MPa · m1/20
權利要求
一種協同增韌氧化鋁陶瓷，其特徵在於原材料的重量份數組成為矽的化合物0.01～5份鋯的化合物0.05～20份釔的化合物0.01～2份SiC晶須 0.01～5份氧化鋁粉體75～95份上述的矽的化合物為矽溶膠和正矽酸乙酯中的至少一種；所述的鋯的化合物為硝酸鋯、醋酸鋯和氯化鋯中的至少一種；所述的釔的化合物為硝酸釔、醋酸釔和氯化釔中的至少一種。
2.製備協同增韌氧化鋁陶瓷的方法，其特徵在於包括下述步驟(1)將矽的化合物、鋯的化合物、釔的化合物溶解於水或無水乙醇中，混合攪拌均勻，同 時加入適量的PH值調節劑將混合溶液的pH值調至4. 5 7. 5 ；(2)將SiC晶須與氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，然後放入球磨罐中進行球磨；(3)將上述球磨後的混合物置於80°C 120°C進行乾燥，然後在800°C 1200°C進行煅 燒，得到白色的陶瓷粉體；(4)向上述陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合後進行造粒、成型、排膠， 然後在1600°C 1700°C進行燒結，獲得協同增韌氧化鋁陶瓷。
3.根據權利要求2所述的製備協同增韌氧化鋁陶瓷的方法，其特徵在於所述的pH值調 節劑為硝酸、醋酸或者氨水。
全文摘要
本發明涉及協同增韌氧化鋁陶瓷及其製備方法，該氧化鋁陶瓷由矽、鋯、釔的化合物以及SiC晶須和氧化鋁粉體組成，其製備過程是先將矽、鋯、釔的化合物溶解於水或無水乙醇中形成混合溶液，同時調節pH值至4.5～7.5，然後加入SiC晶須與氧化鋁粉體並球磨，乾燥後進行煅燒獲得陶瓷粉體；向上述陶瓷粉體中添加粘合劑，然後進行造粒、壓片、排膠，再燒結成陶瓷。該方法工藝簡單，通過pH值的調節來控制矽化合物的凝膠化轉變，使得矽鋯釔的化合物均勻包覆在氧化鋁粉體表面，並在煅燒過程中生成納米級的顆粒，在利用細小顆粒填補氧化鋁粉體間隙的同時，利用納米效應、二氧化鋯相變、SiC晶須補強等的協同作用，有效提高氧化鋁陶瓷的韌性。
文檔編號C04B35/81GK101948325SQ20101028155
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月14日 優先權日2010年9月14日
發明者馬紅萍 申請人:浙江科技學院