一種鐵鋁金屬間化合物與ZrO2復相材料手機陶瓷背板的製備方法與流程
2023-05-14 00:56:01 1
本發明涉及結構陶瓷製備領域，特別涉及一種鐵鋁金屬間化合物與zro2復相材料手機陶瓷背板製備方法。
背景技術：
近年來，隨著手機等消費電子的迅猛發展，手機背板等結構件取得了顯著的進步。特別是未來的5g時代消費類電子背板的設計需求驅動，傳統的金屬外殼和塑料外殼難以滿足消費需求，因此迫切需要新的材料和製備工藝。
由於zro2陶瓷具有高的強韌性、良好的硬度、高抗磨性，被廣泛的應用於結構陶瓷和功能陶瓷領域。也有報導部分穩定氧化鋯(tzp)可以通過粉末冶金方法，能夠製備耐腐的手錶表殼、表件和其它儀器零件。因此近年來，將其應用於手機外殼也越來越多的被研究者所嘗試。例如申請號為201510309285.1的專利中採用了氧化鋯主相中添加氧化鋁、氧化鈦等添加劑採用流延的方式製備手機外殼。又例如申請號為201510940002.3的專利中採用釔穩定的氧化鋯陶瓷粉體與有機物混煉擠出成型手機外殼。據報導謝志鵬著的《結構陶瓷》一書介紹目前商用的增韌性能最好的zro2陶瓷斷裂韌性也僅為8～12mpa.m1/2。與目前金屬外殼等結構件相比仍然偏低，導致存在以下問題：1)抗摔程度仍然不佳；2)高速機加工良率偏低，低速機加工成本偏高。另外釔部分穩定氧化鋯存在相變老化顯現，使用過程中多次摔撞和溫度劇烈變化都有可能導致結構件失效，同時釔部分穩定氧化鋯陶瓷製備原料成本偏高也是限制其大規模應用難題。本發明利用鐵鋁間化合物與zro2在各溫度段線膨脹係數基本一致，開發出金屬與陶瓷的複合材料，有效的提高了陶瓷產品的斷裂韌性和抗摔性能。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種鐵鋁金屬間化合物與zro2復相材料手機陶瓷背板製備方法，該方法是將fe3al金屬間化合物與zro2共混研磨後造粒燒結得到復相材料。該複合材料結合了fe3al金屬間化合物優異的斷裂韌性和zro2良好抗彎強度和高硬度的特性，製備的復相材料綜合力學性能優異。另外在材料設計過程中單一金屬偏離fe3al摩爾比，過量金屬可以作為燒結助劑，降低該復相材料的緻密化條件，使得在常壓燒結爐中就可以緻密化，並且燒結助劑可以填補復相材料中孔洞、裂紋等顯微缺陷，進一步提高複合材料力學性能。
為實現上述目的，本發明採用如下之技術方案：一種鐵鋁金屬間化合物與zro2復相材料手機陶瓷背板製備方法，包括以下步驟：
a)按摩爾百分比fe：al＝(71～77)：(23～29)稱量鐵粉和鋁粉熔煉合金，在惰性氣氛環境中高壓噴霧製備鐵鋁金屬間化合物粉末；
b)將釔穩定的氧化鋯粉末與步驟a)中得到鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比(60～90)：(10～40)稱重加入研磨罐中，使用酒精或者水為研磨介質，研磨18h～24h，得到混合研磨粉體；
c)將步驟b)得到的混合研磨粉體高能球磨3h～5h；
d)將經過步驟c)處理的混合研磨粉體造粒得到造粒粉；
e)將步驟d)得到造粒粉經幹壓成型後再200mpa～250mpa的壓力下冷等靜壓處理得到冷等靜壓坯體；
f)將步驟e)得到冷等靜壓坯體數控工具機加工整形得到手機陶瓷背板坯體；
g)將步驟e)得到手機陶瓷背板坯體在真空或者惰性氣氛下燒結並冷卻。
優選的，步驟a)中的fe：al＝(71～75)：(25～29)。
優選的，步驟a)中的fe：al＝(74～75)：(25～26)。
優選的，步驟a)中惰性氣體為ar氣，氣壓為0.3mpa～0.5mpa。
優選的，步驟b)中釔穩定氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末的重量百分比為(70～90)：(10～30)。
優選的，步驟b)中釔穩定氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末的重量百分比為(85～90)：(10～15)。
優選的，步驟d)為噴霧造粒。
優選的，步驟g)中真空度為-0.095mpa～-0.099mpa，惰性氣氛為ar氣。
優選的，步驟g)中燒結溫度為1400℃～1600℃，保溫燒結時間為2h～5h。
優選的，步驟g)冷卻工藝為在1200℃以上降溫速率不高於1℃/min，在1200℃～800℃降溫速率不低於50℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
本發明的有益效果是：提供一種鐵鋁金屬間化合物與zro2復相材料手機陶瓷背板製備方法，該方法是將fe3al金屬間化合物與zro2共混研磨後造粒燒結得到復相材料。該複合材料結合了fe3al金屬間化合物優異的斷裂韌性和zro2良好抗彎強度和高硬度的特性，製備的復相材料綜合力學性能優異。另外材料設計單一組分過量，過量組分可以作為燒結助劑，降低該復相材料的緻密化條件，使其在常壓燒結爐中就可以緻密化，並且燒結助劑可以填補復相材料中孔洞、裂紋等顯微缺陷，優化力學性能，分段的降溫冷卻工藝不僅將復相材料中zro2高溫相保存到室溫，提高其增韌效果，而且降低了復相材料冷卻過程中殘餘應力釋放開裂的問題，提高了產品的良率。同時復相材料中氧化鋯使用量有所降低，成本有所降低。
附圖說明
圖1為製備方法步驟示意圖。
具體實施方式
下面對本發明作進一步詳細描述：一種鐵鋁金屬間化合物與zro2復相材料手機陶瓷背板製備方法，包括以下步驟：
a)按摩爾百分比fe：al＝(71～77)：(23～29)稱量鐵粉和鋁粉熔煉合金，在惰性氣氛環境中高壓噴霧製備鐵鋁金屬間化合物粉末；
b)將釔穩定的氧化鋯粉末與步驟a)中得到鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比(60～90)：(10～40)稱重加入研磨罐中，使用酒精或者水為研磨介質，研磨18～24h，得到混合研磨粉體；
c)將步驟b)得到的混合研磨粉體高能球磨3h～5h；
d)將經過步驟c)處理的混合研磨粉體造粒得到造粒粉；
e)將步驟d)得到造粒粉經幹壓成型後再200mpa～250mpa的壓力下冷等靜壓處理得到冷等靜壓坯體；
f)將步驟e)得到冷等靜壓坯體經數控工具機加工整形得到手機陶瓷背板坯體；
g)將步驟e)得到手機陶瓷背板坯體在真空或者惰性氣氛下燒結並冷卻。
本實施例中，步驟a)中的fe：al＝(71～75)：(25～29)。
本實施例中，步驟a)中的fe：al＝(74～75)：(25～26)。
本實施例中，步驟a)中惰性氣體為ar氣，氣壓為0.3～0.5mpa。
本實施例中，步驟b)中釔穩定氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末的重量百分比為(70～90)：(10～30)。
本實施例中，步驟b)中釔穩定氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末的重量百分比為(85～90)：(10～15)。
本實施例中，，步驟d)為噴霧造粒。
本實施例中，步驟g)中真空度為-0.095mpa～-0.099mpa，惰性氣氛為ar氣。
本實施例中，步驟g)中燒結溫度為1400℃～1600℃，保溫燒結時間為2h～5h。
在本實施例中，步驟g)冷卻工藝為在1200℃以上降溫速率不高於1℃/min，在1200℃～800℃降溫速率不低於50℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
以下是本發明的實施例：
實施例1：
以配料10kg合金計算，按摩爾百分比fe：al＝71：29稱量鐵粉和鋁粉加入真空熔煉爐中，升溫至1300℃高溫熔煉2h得到鐵鋁金屬液，將其引流到氣壓為0.3mpa的ar氣氣氛噴霧造粒塔中冷卻制粉得到鐵鋁金屬間化合物粉末。
將以配料3kg合金計算，將氧化釔穩定的氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比60：40稱重加入研磨罐中，使用酒精為研磨介質，研磨24h，得到混合研磨粉體，將混合研磨粉體再次高能球磨3h，然後烘乾使用手工添加石蠟粘結劑研磨，採用氮氣保護閉式噴霧造粒得到造粒粉。將造粒粉加入模具中幹壓後脫模，再次使用冷等靜壓設備在200mpa的壓力下保壓3～5min後洩壓得到冷等靜壓坯體，將該坯體數控工具機加工整形得到手機陶瓷背板坯體。
將該坯體放入真空燒結爐中，設定真空度為-0.095mpa，升溫至1400℃保溫5h燒結後降溫，降溫至1200℃以前，降溫速率為1℃/min，在1200℃～800℃降溫段採用充ar氣速冷的工藝，降溫速率為50℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
為了測試該手機外殼(背板)陶瓷力學性能，按同樣的工藝製備三點彎曲法和單邊切口梁法測試的多個樣品進行力學性能測試，測試結果表明該複合材料的抗彎強度為840mpa，斷裂韌性為31.7mpa.m1/2。斷裂韌性明顯優於商用的氧化鋯增韌陶瓷，抗彎強度與其相當，解決了現有的氧化鋯增韌陶瓷的手機外殼斷裂韌性不佳的技術問題，適合手機發展對手機外殼(背板)等結構件的需要。
實施例2：
以配料15kg合金計算，按摩爾百分比fe：al＝77：23稱量鐵粉和鋁粉加入真空熔煉爐中，升溫至1350℃高溫熔煉1.5h得到鐵鋁金屬液，將其引流到氣壓為0.5mpa的ar氣氣氛噴霧造粒塔中冷卻制粉得到鐵鋁金屬間化合物粉末。
將以配料30kg合金計算，將氧化鎂穩定的氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比90：10稱重加入研磨罐中，使用水為研磨介質，研磨18h，得到混合研磨粉體，將混合研磨粉體再次高能球磨5h，然後加入聚乙烯醇粘結劑噴霧造粒得到造粒粉。將造粒粉加入模具中幹壓後脫模，再次使用冷等靜壓設備在250mpa的壓力下保壓3～5min後洩壓得到冷等靜壓坯體，將該坯體數控工具機加工整形得到手機陶瓷背板坯體。
將該坯體放入真空燒結爐中，設定真空度為-0.099mpa，升溫至1550℃保溫2h燒結後降溫，降溫至1200℃以前，降溫速率為0.8℃/min，在1200℃～800℃降溫段採用充ar氣速冷的工藝，降溫速率為60℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
為了測試該手機外殼(背板)陶瓷力學性能，按同樣的工藝製備三點彎曲法和單邊切口梁法測試的多個樣品進行力學性能測試，測試結果表明該複合材料的抗彎強度為950mpa，斷裂韌性為18.1mpa.m1/2。斷裂韌性明顯優於商用的氧化鋯增韌陶瓷，抗彎強度與其相當，解決了現有的氧化鋯增韌陶瓷的手機外殼斷裂韌性不佳的技術問題，適合手機發展對手機外殼(背板)等結構件的需要。
實施例3：
以配料15kg合金計算，按摩爾百分比fe：al＝75：25稱量鐵粉和鋁粉加入真空熔煉爐中，升溫至1300℃高溫熔煉2h得到鐵鋁金屬液，將其引流到氣壓為0.5mpa的ar氣氣氛噴霧造粒塔中冷卻制粉得到鐵鋁金屬間化合物粉末。
將以配料30kg合金計算，將氧化鎂穩定的氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比70：30稱重加入研磨罐中，使用酒精為研磨介質，研磨20h，得到混合研磨粉體，將混合研磨粉體再次高能球磨4h，然後加入石蠟粘結劑噴霧造粒得到造粒粉。將造粒粉加入模具中幹壓後脫模，再次使用冷等靜壓設備在220mpa的壓力下保壓3～5min後洩壓得到冷等靜壓坯體，將該坯體數控工具機加工整形得到手機陶瓷背板坯體。
將該坯體放入ar氣氣氛燒結爐中，升溫至1600℃保溫2h燒結後降溫，降溫至1200℃以前，降溫速率為0.8℃/min，在1200℃～800℃降溫段採用充ar氣速冷的工藝，降溫速率為60℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
為了測試該手機外殼(背板)陶瓷力學性能，按同樣的工藝製備三點彎曲法和單邊切口梁法測試的多個樣品進行力學性能測試，測試結果表明該複合材料的抗彎強度為980mpa，斷裂韌性為25.5mpa.m1/2。斷裂韌性明顯優於商用的氧化鋯增韌陶瓷，抗彎強度與其相當，解決了現有的氧化鋯增韌陶瓷的手機外殼斷裂韌性不佳的技術問題，適合手機發展對手機外殼(背板)等結構件的需要。
實施例4：
以配料15kg合金計算，按摩爾百分比fe：al＝74：26稱量鐵粉和鋁粉加入真空熔煉爐中，升溫至1300℃高溫熔煉2h得到鐵鋁金屬液，將其引流到氣壓為0.4mpa的ar氣氣氛噴霧造粒塔中冷卻制粉得到鐵鋁金屬間化合物粉末。
將以配料25kg合金計算，將氧化鎂穩定的氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比85：15稱重加入研磨罐中，使用水為研磨介質，研磨20h，得到混合研磨粉體，將混合研磨粉體再次高能球磨4h，然後加入聚乙烯醇粘結劑噴霧造粒得到造粒粉。將造粒粉加入模具中幹壓成後脫模，再次使用冷等靜壓設備在220mpa的壓力下保壓3～5min後洩壓得到冷等靜壓坯體，將該坯體機加工整形得到手機陶瓷背板坯體。
將該坯體放入真空燒結爐中，升溫至1550℃保溫3h燒結後降溫，降溫至1200℃以前，降溫速率為0.8℃/min，在1200℃～800℃降溫段採用充入低溫ar氣速冷的工藝，降溫速率為60℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
為了測試該手機外殼(背板)陶瓷力學性能，按同樣的工藝製備三點彎曲法和單邊切口梁法測試的多個樣品進行力學性能測試，測試結果表明該複合材料的抗彎強度為910mpa，斷裂韌性為19.9mpa.m1/2。斷裂韌性明顯優於商用的氧化鋯增韌陶瓷，抗彎強度與其相當，解決了現有的氧化鋯增韌陶瓷的手機外殼斷裂韌性不佳的技術問題，適合手機發展對手機外殼(背板)等結構件的需要。
實施例5：
以配料15kg合金計算，按摩爾百分比fe：al＝74.5：25.5稱量鐵粉和鋁粉加入真空熔煉爐中，升溫至1300℃高溫熔煉2h得到鐵鋁金屬液，將其引流到氣壓為0.4mpa的ar氣氣氛噴霧造粒塔中冷卻制粉得到鐵鋁金屬間化合物粉末。
將以配料25kg合金計算，將氧化鎂穩定的氧化鋯粉末與鐵鋁金屬間化合物粉末按重量比87：13稱重加入研磨罐中，使用水為研磨介質，研磨20h，得到混合研磨粉體，將混合研磨粉體再次高能球磨4h，然後加入聚乙烯醇粘結劑噴霧造粒得到造粒粉。將造粒粉加入模具中幹壓成後脫模，再次使用冷等靜壓設備在220mpa的壓力下保壓3～5min後洩壓得到冷等靜壓坯體，將該坯體機加工整形得到手機陶瓷背板坯體。
將該坯體放入真空燒結爐中，升溫至1550℃保溫3h燒結後降溫，降溫至1200℃以前，降溫速率為0.8℃/min，在1200℃～800℃降溫段採用充入低溫ar氣速冷的工藝，降溫速率為60℃/min，800℃以下隨爐冷卻。
為了測試該手機外殼(背板)陶瓷力學性能，按同樣的工藝製備三點彎曲法和單邊切口梁法測試的多個樣品進行力學性能測試，測試結果表明該複合材料的抗彎強度為960mpa，斷裂韌性為19.5mpa.m1/2。斷裂韌性明顯優於商用的氧化鋯增韌陶瓷，抗彎強度與其相當，解決了現有的氧化鋯增韌陶瓷的手機外殼斷裂韌性不佳的技術問題，適合手機發展對手機外殼(背板)等結構件的需要。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。