一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料及其製備方法
2023-05-14 09:02:51 1
專利名稱：一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料及其製備方法，屬 於氧化鋯基陶瓷技術領域。
背景技術：
氧化鋯(Zr02)陶瓷具有高熔點和良好的化學穩定性，從20世紀70 年代開始得到研究者的重視。在不同溫度下，氧化鋯主要以三種同質異形 體存在，即單斜晶系(m-Zr02)、四方晶系(t-ZrOJ和立方晶系(c-Zr02)。純 的ZrO,在燒結冷卻過程中發生四方相到單斜相的馬氏體相變時伴隨有 3%~5%的體積變化，從而導致材料容易開裂，使得氧化鋯塊材在工程應用 上受到限制。
為了消除相變引起的體積變化，研究發現在純的Zr02中加入穩定劑， 在高溫燒結時將形成四方相或立方相固熔體，在冷卻時可以消除四方相向 單斜相轉變。常用的穩定劑有丫203、 Mg0、 Ca0、 Ce02和Sc203等。穩定的Zr02 具有高韌性和耐磨性，優異的隔熱性能，熱膨脹係數接近於金屬等優點， 因此被廣泛應用於結構陶瓷領域。但是，研究發現Y2(h穩定的Zr02 ( YSZ) 在100-400。C的低溫區長期使用時，材料表面向內部發生四方相到單斜相 的等溫相變，導致力學性能急劇下降，即發生低溫性能老化。"02穩定的 Zr02具有較高的斷裂軔度和良好的抗低溫水熱老化性能，不足之處是硬度 和強度偏低。
同時穩定的Zr02也是優良的氧離子導體，在固體氧化物燃料電池、氧 傳感器中作為固體電解質材料得到了廣泛的應用。對於Zr02固體電解質材 料，目前研究較多的是YSZ。在Zr02基的電解質材料中，摻雜效果最好的 是S"03摻雜的Zr02,其電導率在IOO(TC時可達到0. 3S . cm-\是目前文 獻報導較好的8%-10%(摩爾分數)￥203穩定的氧化鋯(8YSZ)電導率的兩
倍。但是大多數Sc20fZr02的材料，由於在燒結過程中形成亞穩態相，會 使電導率下降很快，穩定性很差。Teighery等也對A1A捧雜的YSZ進行 了研究，發現5%-10%(質量百分數"1 203的摻雜對8YSZ材料的性能有很大
的改善。
常見的Zr02穩定劑是稀土或鹼土氧化物，而且只有離子半徑與Zr"半 徑相差不超過40%的氧化物才能作為氧化鋯的穩定劑。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一 種具有很好穩定性的氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是 一種氧化錳穩定的 四方氧化鋯陶瓷材料，其特徵在於由以下摩爾百分數的原料組成穩定劑 10%~30%，氧化鋯70%~90%，所述穩定劑為過渡金屬氧化物氧化錳。
本發明的另一目的是提供一種工藝簡單、成本低的製備氧化錳穩定的 四方氧化鋯陶瓷材料的方法，其特徵在於製備過程為首先稱量氧化鋯和 氧化錳，將稱量好的氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨 混合，釆用單向幹壓法，在8 10MPa的壓力下將所述混合粉壓結成陶瓷
片，將所述陶瓷片放入高溫管式爐中燒結，使用的熱處理制度為升溫速 率小於30(TC/h，氬氣氣氛下1300 140(TC高溫保溫12h 24h,然後隨
爐冷卻，即製得氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料。
本發明以氧化鋯為基體， 一種過渡金屬氧化物氧化錳作為穩定劑，釆 用固態燒結法製備單一穩定劑穩定的氧化鋯陶瓷。合成工藝技術條件及操 作方法簡明，為開發穩定氧化鋯技術提供了新的思路。 本發明與現有技術相比具有以下優點
1、 突破傳統的利用稀土或鹼土金屬氧化物來穩定氧化鋯的局限，獨具 特色地釆用過渡金屬氧化物來製備穩定氧化鋯，為開發穩定氧化鋯技術提 供了新的思路。
2、 合成工藝技術條件及操作方法簡明，具有準確、高效、反應條件易
控制、反應充分等特點。
3、製備的氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料的穩定性良好。
下面通過實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
具體實施例方式
實施例l
將分析純的ZrO2和Mn2O3按照Zr0.75Mn0.250(2—delta)的化學計量比稱量，將稱量 好的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱量按每份l. 5g 稱取若干粉料，釆用單向幹壓法，在8MPa的壓力下將粉料壓結成50mmx 5mm x 2隱的陶瓷片，將陶瓷片放入最高溫度可達160(TC的高溫管式爐中釆用 30(TC/h的升溫速率，在氬氣氣氛下，130(TC保溫12h，然後隨爐冷卻。得 到的氧化鋯陶瓷經X R D檢測為單 一 四方相。
實施例2將分析純的Zr02和Mn203按照Zr0.8Mn0.20(2—delta)的化學計量比稱量，將稱量好 的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱按量每份2g稱取 若干粉料，採用單向幹壓法，在10MPa的壓力下將粉料壓結成50mm*5mm* 3mm的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中釆用30(TC/h的升溫速率，在氬 氣氣氛下，140(TC保溫12h，然後隨爐冷卻。得到的氧化鋯陶瓷經XRD檢測 為單一四方相。
實施例3
將分析純的Zr02和Mn203按照Zr0.75Mn0.250(2—delta)的化學計量比稱量，將稱量 好的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱量按每份1.5g 稱取若干粉料，釆用單向幹壓法，在lOMPa的壓力下將粉料壓結成02Omm x2mm的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中釆用20(TC/h的升溫速率，在 氬氣氣氛下，130(TC保溫16h,然後隨爐冷卻。得到的氧化鋯陶瓷經XRD檢 測為單一四方相。
權利要求
1.一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料，其特徵在於由以下摩爾百分數的原料組成穩定劑10％～30％，氧化鋯70％～90％，所述穩定劑為過渡金屬氧化物氧化錳。
2.製備如權利要求1所述的一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料 的方法，其特徵在於製備過程為首先稱量氧化鋯和氧化錳，將稱量好的 氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，採用單向幹壓 法，在8 10MPa的壓力下將所述混合粉壓結成陶瓷片，將所述陶瓷片放 入高溫管式爐中燒結，使用的熱處理制度為升溫速率小於300°C/h，氬 氣氣氛下1300 140(TC髙溫保溫12h 24h,然後隨爐冷卻，即製得氧化 錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料。
全文摘要
本發明提供了一種氧化錳穩定的四方氧化鋯陶瓷材料及其製備方法，該陶瓷材料以氧化鋯為基體，以過渡金屬氧化物氧化錳作為穩定劑，具體製備方法為將稱量好的氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，採用單向幹壓法，在8～10MPa的壓力下將粉料壓結成一定形狀的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中燒結，使用的熱處理制度為升溫速率小於300℃/h，氬氣氣氛下1300～1400℃保溫12h～24h，然後隨爐冷卻。本發明工藝簡單，成本低，採用固態燒結工藝製備四方氧化鋯陶瓷，得到的材料具有良好的穩定性，是一種優異的結構陶瓷材料和固體電解質材料，有利於新型氧化鋯陶瓷材料的應用推廣。
文檔編號C04B35/622GK101357845SQ20081015091
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者馮建情, 盧亞鋒, 李成山, 白利鋒, 果 閆, 玲 高 申請人:西北有色金屬研究院