氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法

2023-06-28 02:34:01 1

專利名稱：：氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法
技術領域：
：本發明涉及一種陶瓷材料的改性方法。
背景技術：
：陶瓷材料在很多領域中有著廣泛的應用。但它最致命的弱點是高脆性和低可靠性，從而在很多場合中限制了它的應用。如何改善陶瓷材料的這個弱點，一直是陶瓷材料研究者所關心的問題。隨著科學技術的發展，特別是能源、空間技術的發展，對陶瓷材料的性能要求也越來越高。要顯著降低高性能陶瓷製備過程中的能耗，明顯降低其生產成本，推動陶瓷產品的產業化，實現陶瓷的低溫快速燒結是關鍵。對於結構陶瓷粉料而言，一般希望越細越好，有利於高溫燒結，可降低燒成溫度。但在成形時卻不然，尤其對於幹壓成形，粉料的假顆粒度越細，流動性反而不好，不能充滿模具，易產生空洞，導致生坯緻密度不高。在精細氧化鋁(A1203)中加入一定量的氧化鈦(Ti02)，將他們製備成不同配比的精細氧化鋁/氧化鈦(Al203/Ti02)複合氧化物粉末，將這類粉末製備成塊體Al203/Ti02復相陶瓷材料，這種復相材料有望在耐磨材料領域、生物材料(整體髖關節替換中的股骨頭部位材料)領域獲得應用。然而，其強度、韌性等性能卻不高，限制了它的應用。進而材料科學家想到將納米技術引入到該領域，將納米尺度的精細氧化鋁和氧化鈦粉末再造粒成為納米結構的精細氧化鋁/氧化鈦(Al203/Ti02)複合氧化物粉末並用於製備精細結構A1A/Ti02復相陶瓷。研究表明此種精細AU)3/Ti02復相陶瓷與傳統微米級晶粒尺度的Al20s/Ti02復相陶瓷相比，其強度、韌性和耐磨性均有一定的提高，但是此種精細A1203-Ti02復相陶瓷力學性能低仍然不夠理想。
發明內容本發明的目的是為了解決現有A1A/Ti02復相陶瓷的彎曲強度、斷裂韌性和硬度性能低的問題，提供了一種氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法。本發明實現了精細陶瓷材料製備過程中陶瓷的低溫快速燒結，明顯降低了生產的成本，同時使所生產的產品的彎曲強度、斷裂韌性和硬度的性能明顯提高。本發明氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法如下一、將1重量份的混合粉體、0.30.5重量份的去離子水、0.0090.014重量份的粘結劑聚乙烯醇和24重量份的磨球放入球磨機中，以10001300rpm的轉速混合35h，所述的混合粉體按重量份數由59.9份的納米氧化鋁、0.15份的納米氧化鈦和0.52.5份的改性劑組成，所述的改性劑按重量份數由0.252.25份的納米氧化鈰和0.252.25份的氧化鋯組成；二、將步驟一中混合後所得漿料進行噴霧乾燥再造粒，得到粒徑為2080ixm的粉體，噴霧乾燥機工作時進口溫度為220250°C，出口溫度為100130°C，噴嘴轉速為3500037000r/min;三、將再造粒的粉體裝入精細氧化鋁坩堝，將坩堝放入高溫箱式電阻爐中進行熱處理，處理過程如下熱處理過程中升溫速率為911°C/min，先升溫至580620°C，保溫5070min;再升溫達11501250°C，保溫5070min，然後隨爐冷卻至室溫；四、將熱處理後粉體放入模具中，在80lOOMPa壓力下進行預壓成型，保壓24min;五、將預壓成型後的塊狀體放入橡膠模具中，排除氣體並進行封裝，再放入冷等靜壓機，在260MPa壓力下成型，保壓24min;六、將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，在10001500'C的溫度下進行無壓燒結，燒結時間為50150min，升溫速率為510°C/min，然後隨爐冷卻至室溫。本發明採用噴霧造粒技術可製備出質量均一、重複性良好的球型粉料，縮短粉料的製備過程，也有利於自動化、連續化生產，是大規模製備先進陶瓷乾粉料的有效方法。應用本發明方法所生產出來的精細Al203/Ti02/Ce02/Zr02復相陶瓷與Al203/Ti02復相陶瓷相比緻密度最大可提高12.5%，彎曲強度為八1203/7102葛相陶瓷的1.34.4倍，斷裂韌性為Al2(VTi02復相陶瓷的1.72倍，維氏硬度為Al2(yTi02復相陶瓷的1.63.3倍。圖1是不同燒結溫度下Al2(VTi02和Al203/Ti02/Ce(VZr02陶瓷的緻密度效果圖，圖2是不同燒結溫度下兩種陶瓷體的彎曲強度對比圖，圖3是不同燒結溫度下兩種陶瓷體的斷裂韌性對比圖，圖4是不同燒結溫度下兩種陶瓷體的維氏硬度對比圖。圖1-4中一顧一表示Al203/Ti02陶瓷，一參一表示Al203/Ti02/Ce02/Zr02陶瓷。具體實施例方式具體實施方式一本實施方式中氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法如下一、將1重量份的混合粉體、0.30.5重量份的去離子水、0.0090.014重量份的粘結劑聚乙烯醇和24重量份的磨球放入球磨機中，以10001300rpm的辨速混合35h，所述的混合粉體按重量份數由59.9份的納米氧化鋁、0.15份的納米氧化鈦和0.52.5份的改性劑組成，所述的改性劑按重量份數由0.252.25份的納米氧化鈰和0.252.25份的氧化鋯組成；二、將步驟一中混合後所得漿料進行噴霧乾燥再造粒，得到粒徑為2080um的粉體，噴霧乾燥機工作時進口溫度為220250°C，出口溫度為100130°C，噴嘴轉速為3500037000r/min;三、將再造粒的粉體裝入精細氧化鋁坩堝，將坩堝放入高溫箱式電阻爐中進行熱處理，處理過程如下熱處理過程中升溫速率為9irC/min，先升溫至580620°C，保溫5070min;再升溫達11501250°C，保溫5070min，然後隨爐冷卻至室溫；四、將熱處理後粉體放入模具中，在80100MPa壓力下進行預壓成型，保壓24min;五、將預壓成型後的塊狀體放入橡膠模具中，排除氣體並進行封裝，再放入冷等靜壓機，在260MPa壓力下成型，保壓24min;六、將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，在1000150(TC的溫度下進行無壓燒結，燒結時間為50150min，升溫速率為510°C/min，然後隨爐冷卻至室溫。本實施方式中在步驟一中所用的球磨機為AX5型攪拌球磨機；在步驟二中所用的噴霧乾燥機為LPG型高速離心噴霧乾燥機；在步驟三中高溫箱式電阻爐為SX-8-16高溫箱式電阻爐；在步驟四中是用YB04-5型手動壓力機進行預壓成型；在步驟五中的冷等靜壓機是LDJ200/1000-300型冷等靜壓機；在步驟六中所用的電阻爐為SX-8-16高溫箱式電阻爐。具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由5.18.5份的納米氧化鋁、0.21.6份的納米氧化鈦和0.61.6份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式三本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8.69.8份的納米氧化鋁、1.74.9份的納米氧化鈦和1.72.4份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式四本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8.7份的納米氧化鋁、1.3份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式五本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由9.7份的納米氧化鋁、0.3份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式六本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8份的納米氧化鋁、2份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式七本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的混合粉體按重量份數由6份的納米氧化鋁、4份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式八本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的改性劑按重量份數由0.260.75份的納米氧化鈽和0.260.75份的氧化鋯組成，其它^驟與具體實施方式一相同。具體實施方式九本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的改性劑按重量份數由O.762.24份的納米氧化鈰和0.762.24份的氧化鋯組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中所述的改性劑按重量份數由0.8份的納米氧化鈰和0.7份的氧化鋯組成，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十一本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟一中將l重量份的混合粉體、0.5重量份的去離子水、O.Ol重量份的粘結劑聚乙烯醇和3重量份p磨球放到球磨機中，以1200rpm的轉速混合4h。具體實施方式十二本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟二中所述噴霧乾燥機工作時進口溫度為220240°C，出口溫度為100115°C，噴嘴轉速3500036000r/min，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十三本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟二中所述噴霧乾燥機工作時進口溫度為240250°C，出口溫度為115130°C，噴嘴轉速3600037000r/min，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十四本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟二中所述的噴霧乾燥機工作時進口溫度為230°C，出口溫度為110°C，噴嘴轉速36000r/min，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十五本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟三中熱處理過程中升溫速率為10°C/min，先升溫至600°C，保溫60min;在升溫達1200°C，保溫60min，然後隨爐冷卻至室溫，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十六本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟四中將熱處理後粉體放入模具中，在75MPa壓力下進行預壓成型，保壓3min，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十七本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟五中將預壓成型後的塊狀體放入橡膠模具中，排除氣體並進行封裝，再放入冷等靜壓機，在260MPa壓力下成型，保壓3min，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十八本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟六中將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，在1100120(TC的溫度下進行無壓燒結，燒結時間為.5175min，升溫速率為68°C/min，然後隨爐冷卻至室溫，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式十九本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟六中將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，在12101490。C的溫度下進行無壓燒結，燒結時間為76149min，升溫速率為8.19.9°C/min，然後隨爐冷卻至室溫，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式二十本實施方式與具體實施方式一不同的是在步驟六中將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，進行無壓燒結，在1250°C、1350。C或1450。C三個溫度下進行無壓燒結，燒結時間為lh，升溫速率為5'C/min，然後隨爐冷卻至室溫，其它步驟與具體實施方式一相同。具體實施方式二十一本實施方式中不同燒結溫度下AUVTi02和Al203/Ti02/Ce02/Zr02陶瓷的緻密度如下表ltableseeoriginaldocumentpage9從圖4和表3看出，隨著燒結溫度的增高，兩種陶瓷材料的斷裂韌性都逐漸增大，在145(TC時分別達到最大值；在每個溫度進行燒結時，加入改性劑的陶瓷材料的斷裂韌性都比未加時高。具體實施方式二十四本實施方式中不同燒結溫度下兩種陶瓷體的維氏硬度如下表4tableseeoriginaldocumentpage10從圖5和表4看出，隨著燒結溫度的增高，兩種陶瓷材料的維氏硬度都逐漸增大，在145(TC時分別達到最大值；在每個溫度進行燒結時，加入改性劑的陶瓷材料的維氏硬度都比未加時高。權利要求1、一種氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於該方法的步驟如下一、將1重量份的混合粉體、0.3～0.5重量份的去離子水、0.009～0.014重量份的粘結劑聚乙烯醇和2～4重量份的磨球放入球磨機中，以1000～1300rpm的轉速混合3～5h，所述的混合粉體按重量份數由5～9.9份的納米氧化鋁、0.1～5份的納米氧化鈦和0.5～2.5份的改性劑組成，所述的改性劑按重量份數由0.25～2.25份的納米氧化鈰和0.25～2.25份的氧化鋯組成；二、將步驟一中混合後所得漿料進行噴霧乾燥再造粒，得到粒徑為20～80μm的粉體，噴霧乾燥機工作時進口溫度為220～250℃，出口溫度為100～130℃，噴嘴轉速為35000~37000r/min；三、將再造粒的粉體裝入精細氧化鋁坩堝，將坩堝放入高溫箱式電阻爐中進行熱處理，處理過程如下熱處理過程中升溫速率為9～11℃/min，先升溫至580～620℃，保溫50～70min；再升溫達1150～1250℃，保溫50～70min，然後隨爐冷卻至室溫；四、將熱處理後粉體放入模具中，在80～100MPa壓力下進行預壓成型，保壓2～4min；五、將預壓成型後的塊狀體放入橡膠模具中，排除氣體並進行封裝，再放入冷等靜壓機，在260MPa壓力下成型，保壓2～4min；六、將冷等靜壓後所得坯料放入電阻爐，在1000～1500℃的溫度下進行無壓燒結，燒結時間為50～150min，升溫速率為5～10℃/min，然後隨爐冷卻至室溫。2、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由5.18.5份的納米氧化鋁、0.21.6份的納米氧化鈦和0.61.6份的改性劑組成。3、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8.69.8份的納米氧化鋁、1.74.9份的納米氧化鈦和1.72.4份的改性劑組成。4、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8.7份的納米氧化鋁、1.3份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成。5、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由9.7份的納米氧化鋁、0.3份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。6、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由8份的納米氧化鋁、2份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成。7、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於步驟一中所述的混合粉體按重量份數由6份的納米氧化鋁、4份的納米氧化鈦和1.5份的改性劑組成，其它步驟與具體實施方式一相同。8、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於所述的改性劑按重量份數由0.260.75份的納米氧化鈰和0.260.75份的氧化鋯組成。9、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於所述的改性劑按重量份數由0.762.24份的納米氧化鈰和0.762.24份的氧化鋯組成。10、根據權利要求1所述的氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，其特徵在於所述的改性劑按重量份數由O.8份的納米氧化鈰和0.7份的氧化鋯組成。全文摘要一種氧化鋁/氧化鈦復相精細陶瓷材料的改性方法，它涉及一種陶瓷材料的改性方法，本發明解決了現有Al2O3/TiO2復相陶瓷的彎曲強度、斷裂韌性和硬度性能低的問題。本方法的步驟是在球磨機中用去離子水做介質將精細氧化鋁和氧化鈦粉體、改性劑、粘結劑聚乙烯醇混合成均勻漿料；然後噴霧乾燥再造粒；隨後對所得粉體進行熱處理；經過熱處理的粉體進行預壓成型；坯料進行冷等靜壓成型後燒結。本發明實現了精細陶瓷材料製備過程中陶瓷的低溫快速燒結，明顯降低了生產的成本，同時使所生產的產品的彎曲強度、斷裂韌性和硬度的性能提高。本發明簡單易行，適合工業化生產。文檔編號C04B35/622GK101209925SQ20071014489公開日2008年7月2日申請日期2007年12月21日優先權日2007年12月21日發明者勇楊,鈾王申請人:哈爾濱工業大學