一種無壓燒結工藝製備yam陶瓷的方法

2023-05-21 02:55:41

一種無壓燒結工藝製備yam陶瓷的方法
【專利摘要】本發明涉及一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，包括如下步驟：（1）將Y4Al2O9陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然後裝入模具中預成型；（2）將預成型後的Y4Al2O9陶瓷進行冷等靜壓處理；（3）將冷等靜壓處理後的Y4Al2O9陶瓷在通有惰性氣體保護氣氛的燒結爐中，以2～20℃/min的升溫速率升至1500～2000℃，燒結1～3小時，得到YAM塊體陶瓷；該製備方法不僅大大提高了陶瓷材料的緻密度，實現了Y4Al2O9陶瓷材料的緻密度可控，而且可以製備出較大尺寸和複雜形狀的YAM陶瓷材料，以滿足航天航空領域的特殊需求。
【專利說明】—種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及三元氧化物陶瓷及其成型製備方法，具體涉及一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法。
【背景技術】
[0002]航空、航天技術的快速發展對材料的性能提出了越來越高的要求，尤其是高超聲速飛行器和先進推進系統一超燃衝壓發動機的飛速發展使材料和結構面臨新的挑戰。它們要求材料能夠承受高超聲速飛行面臨的極端熱、力和腐蝕環境，因此，防隔熱一體化材料是高超聲速臨近空間飛行器防隔熱部件和熱密封組件的關鍵材料，耐高溫低熱導率材料的研發具有越來越重要的作用。
[0003]Y-A1-0體系陶瓷具有高熔點、低熱導率和良好的熱、化學穩定性好、抗高溫水蒸氣腐蝕等優點，近年來越來越受到人們的關注。Y-A1-0體系陶瓷主要包括三種相:Y3A15012 (YAG)相，Y4A1209 (YAM)相和 YA103(YAP)相，目前為止，YAG 相是研究最多的 Y-A1-0陶瓷體系。Zhan等人通過利用第一性原理計算的方法分別研究了 Y-A1-0體系中三個相的熱導率，發現YAG、YAM和YAP都具有較低的熱導率，而其中YAM的熱導率最低(YAG: 1.59W.m-1 ?K-1, YAP: 1.6Iff.m-1 ?K-1, YAM: 1.10W.m-1 ?K-1)，同時Zhan等人從理論上發現了與YAG相比，YAM陶瓷具有更低的彈性模量(YAG: 290MPa，YAM: 190MPa)，說明YAM陶瓷應該具有更加優異的抗熱震性能。這些優異性能使得YAM (Y4A1209)作為防隔熱一體化結構件、高溫彈性密封元件、抗氧化和水蒸氣塗層在未來的高超聲速臨近空間飛行器中具有潛在的應用。
[0004]目前為止，單相YAM塊體陶瓷是採用熱壓法製備得到，但熱壓法所製備的材料尺寸和形狀都有一定的局限性，例如大尺寸或複雜形狀的材料很難利用熱壓法得到，且緻密度差。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，該製備方法不僅大大提高了陶瓷材料的緻密度，而且可以製備出較大尺寸和複雜形狀的YAM陶瓷材料，以滿足航天航空領域的特殊需求。
[0006]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
[0007]一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，包括如下步驟:
[0008]( 1)將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然後裝入模具中預成型；
[0009](2)將預成型後的Y4A1209陶瓷進行冷等靜壓處理；
[0010](3)將冷等靜壓處理後的Y4A1209陶瓷在通有惰性氣體保護氣氛的燒結爐中，以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C，燒結1~3小時，得到YAM塊體陶瓷。
[0011]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體的顆粒度為1~5微米。
[0012]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體使用前進行細化處理，具體為:以去離子水為介質，將υ4αι209陶瓷粉體裝入ai2o3快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然後取出烘乾。
[0013]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的質量比為100:0.5~5。
[0014]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的預成型壓力為1~lOMPa，在最高壓力下保壓2~10分鐘，卸壓。
[0015]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(2)中Y4A1209陶瓷進行冷等靜壓處理的壓力為50~280MPa。
[0016]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(3)中Y4A1209陶瓷在燒結爐中進行燒結時的升溫速率為5~10°C /min。
[0017]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，步驟(3)中的惰性氣體為氬氣、氦氣、氣氣或氖氣。
[0018]在上述無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法中，惰性氣體為純度> 99.99%的氬氣。
[0019]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0020](1)、本發明首次將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合製備YAM陶瓷材料，由於PVA是一種水溶性粘接劑，對YAM陶瓷有很好的粘接作用，同時本發明對製備工藝進行了創新設計，通過預壓實、冷等靜壓處理、無壓燒結等工藝進行YAM陶瓷材料的製備，該製備方法不僅大大提高了 YAM陶瓷材料的緻密度，冷等靜壓處理後的樣品緻密度為理論密度的40~60%，而且可以製備出較大尺寸和複雜形狀的YAM陶瓷材料；
[0021](2)、本發明採用無壓燒結工藝進行YAM陶瓷材料的製備，燒結時不需要壓力，克服了傳統熱壓工藝成型，受熱壓爐`尺寸限制，需要一邊升溫，一邊加壓，不能製備出尺寸較大和形狀複雜(例如只能為圓柱、方形等規則形狀)的陶瓷材料的缺陷，製備過程體積不受限制，可以根據實際需要通過設計不同複雜形狀的模具，從而製備出各種複雜形狀的陶瓷材料，以滿足航天航空領域的特殊需求；
[0022](3)、本發明通過大量實驗繪製出無壓燒結工藝製備Y4A1209 (YAM)陶瓷的過程中，材料緻密度隨燒結溫度的變化曲線，實際製備過程中根據該曲線通過設定燒結溫度即可獲得所需緻密度的陶瓷材料，實現了緻密度可控的YAM塊體陶瓷材料或坯體陶瓷材料的製備;
[0023](4)、本發明製備得到的Y4A1209(YAM)陶瓷具有高熔點、高強度、低模量、良好的抗熱震性能以及低熱導率等優異性能，作為耐高溫隔熱結構材料在航空、航天工業等領域的應用具有巨大的潛力；
[0024](5)、本發明無壓燒結工藝製備YAM陶瓷材料的工藝方法簡單方便，易於實現，具有較強的實用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發明利用無壓燒結工藝製備Y4A1209陶瓷的過程中材料緻密度隨燒結溫度的變化曲線；
[0026]圖2為本發明實施例3中冷等靜壓處理後的YAM陶瓷樣品與無壓燒結後的YAM陶瓷樣品對比圖；[0027]圖3為本發明實施例3中YAM陶瓷在1800°C燒結2小時的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述: [0029]本發明無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，具體包括如下步驟:
[0030]步驟(一)、對￥一1209陶瓷粉體進行細化處理，具體為:以去離子水為介質，裝入A1A快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然後取出烘乾。
[0031]步驟(二)、將烘乾後的Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇(PVA)按質量比為100:0.5~5混合均勻，然後裝入模具中預成型，採用的壓力為1~lOMPa，在最高壓力(預成型壓力)下保壓2~10分鐘，卸壓。模具可以為圓柱形、立方體形等，或根據需要設計成各種複雜形狀，且模具材料可以靈活選擇，例如不鏽鋼模具。
[0032]步驟(三)、將預成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中冷等靜壓處理，採用的壓力為50~280MPa。
[0033]步驟(四)、將冷等靜壓處理後的塊體Y4A1209(YAM)陶瓷裝入塗有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體保護氣氛的燒結爐中以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C燒結1~3小時，升溫速率優選5~10°C /min，利用上述工藝最終得到不同緻密度的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0034]上述Y4A1209 (YAM)陶瓷粉粒度範圍為1~5微米；冷等靜壓處理後的樣品緻密度為理論密度的40~60%,燒結方式為無壓燒結；惰性氣體為IS氣、氦氣、氣氣或氖氣,優選純度≥99.99%的氬氣。
[0035]本發明無壓燒結工藝製備Y4A1209陶瓷的過程中製備得到的材料緻密度與燒結溫度與冷等靜壓均有關，如圖1所示為本發明利用無壓燒結工藝制|Y4A1209陶瓷的過程中材料緻密度隨燒結溫度的變化曲線，實際製備過程中根據該曲線通過設定燒結溫度即可獲得所需緻密度的陶瓷材料，實現了緻密度可控的YAM塊體陶瓷材料或坯體陶瓷材料的製備。
[0036]實施例1
[0037]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進行細化處理，以去離子水為介質，快速球磨5分鐘，然後取出烘乾。將^1209粉體與聚乙烯醇(PVA)按質量比為100:0.5混合均勻後裝入不鏽鋼模具中，模具形狀為圓柱形，然後利用IMPa的壓力預成型，在IMPa下保壓2分鐘後卸壓。將預成型的Y4A1209(YAM)陶瓷裝入橡膠模具中採用50MPa的壓力冷等靜壓處理。最後將冷等靜壓處理的￥41209 (￥411)陶瓷裝入塗有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度≥99.99%的氬氣)保護氣氛的燒結爐中以2°C /min的升溫速率升至1500°C燒結1小時。
[0038]利用上述工藝最終得到緻密度為70%WY4A1209(YAM)陶瓷。
[0039]實施例2
[0040]將Y4A1209(YAM)陶瓷粉體利用A1203快速球磨罐進行細化處理，以去離子水為介質，快速球磨30分鐘，然後取出烘乾。將Y4A1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質量比為100:2混合均勻後裝入不鏽鋼模具中，模具形狀為立方體形，然後利用5MPa的壓力預成型，在5MPa下保壓5分鐘後卸壓。將預成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中採用150MPa的壓力冷等靜壓處理。最後將經過冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入塗有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度> 99.99%的氬氣)保護氣氛的燒結爐中以10°C /min的升溫速率升至1700°C燒結2小時。
[0041]利用上述工藝最終得到緻密度為91°/d^Y4Al209(YAM)陶瓷。
[0042]實施例3
[0043]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進行細化處理，以去離子水為介質，快速球磨60分鐘，然後取出烘乾。將￥4麼1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質量比為100:4混合均勻後裝入不鏽鋼模具中，模具形狀為圓柱形，然後利用8MPa的壓力預成型，保壓10分鐘後卸壓。將預成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中採用250MPa的壓力冷等靜壓處理。最後將冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入塗有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(氙氣)保護氣氛的燒結爐中以15°C /min的升溫速率升至1800°C燒結2小時。[0044]利用上述工藝最終得到緻密度為100%的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0045]如圖2所示為本實施例中冷等靜壓處理後的YAM陶瓷樣品與無壓燒結後的YAM陶瓷樣品對比圖，其中左圖為冷等靜壓處理後的YAM陶瓷樣品，右圖為無壓燒結後的YAM陶瓷樣品，由圖可知燒結後的陶瓷樣品與燒結前相比，均勻收縮、且沒有開裂。
[0046]如圖3所示為本實施例中YAM陶瓷在1800°C燒結2小時的掃描電鏡照片，由圖可知YAM陶瓷樣品緻密度好，且沒有開裂和氣泡。
[0047]實施例4
[0048]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進行細化處理，以去離子水為介質，快速球磨40分鐘，然後取出烘乾。將Y4A1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質量比為100:3混合均勻後裝入不鏽鋼模具中，模具設計為所需的不規則形狀，然後利用6MPa的壓力預成型，保壓5分鐘後卸壓。將預成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中採用200MPa的壓力冷等靜壓處理。最後將冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入塗有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度≥99.99%的氬氣)保護氣氛的燒結爐中以20°C /min的升溫速率升至1850°C燒結2小時。
[0049]利用上述工藝最終得到緻密度為98%的Y4A1209 (YAM)陶瓷，但材料有輕微的分解現象。
[0050]以上所述，僅為本發明最佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
[0051]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:包括如下步驟: (1)將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然後裝入模具中預成型； (2)將預成型後的Y4A1209陶瓷進行冷等靜壓處理； (3)將冷等靜壓處理後的Y4A1209陶瓷在通有惰性氣體保護氣氛的燒結爐中，以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C，燒結1~3小時，得到YAM塊體陶瓷。
2.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體的顆粒度為1~5微米。
3.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(1)中y4ai2o9陶瓷粉體使用前進行細化處理，具體為:以去離子水為介質，將y4ai2o9陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然後取出烘乾。
4.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的質量比為100:0.5~5。
5.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的預成型壓力為1~lOMPa，在最高壓力下保壓2~10分鐘，卸壓。
6.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(2)中Y4A1209陶瓷進行冷等靜壓處理的壓力為50~280MPa。
7.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(3)中Y4A1209陶瓷在燒結爐中進行燒結時的升溫速率為5~10°C /min。
8.根據權利要求1所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述步驟(3)中的惰性氣體為氬氣、氦氣、氙氣或氖氣。
9.根據權利要求8所述的一種無壓燒結工藝製備YAM陶瓷的方法，其特徵在於:所述惰性氣體為純度> 99.99%的氬氣。
【文檔編號】C04B35/505GK103553615SQ201310381787
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】盧新坡, 周延春 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院