專利名稱：改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷技術領域，更詳細地是改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法。
背景技術：
陶瓷材料具有類似于金屬的強度和比金屬更為優(yōu)越的耐磨性、耐高溫性以及化學穩(wěn)定性，可用于一般金屬材料難以勝任的嚴酷環(huán)境，如高溫、強腐蝕環(huán)境。另外，由陶瓷制成的機件重量輕，隔熱性好，對提高能源利用效率具有重要意義。但由于其內在結構的原因，陶瓷材料脆性大，對內部缺陷敏感，裂紋一經(jīng)產生往往就迅速擴展，使材料呈現(xiàn)無預兆災難性的突然斷裂。由此，陶瓷部件與金屬部件相比可靠性較差，這已成為影響陶瓷材料推廣應用的瓶頸。提高陶瓷材料的韌性是陶瓷材料尤其是結構陶瓷材料研究的中心問題。
納米科學和技術的發(fā)展給陶瓷材料的增韌甚至于獲得超塑性帶來了新的希望。若陶瓷材料的晶粒較大，則大顆粒容易成為應力集中的位置，并為孔洞的成核提供了主要的位置。當晶粒的尺寸達到納米量級時，材料的界面所占的比例將大大提高，大體積的界面區(qū)將提供足夠的晶界滑移機會，導致變形增加。因此，陶瓷晶粒尺寸的減小是獲取超強超韌的有效途徑。
納米復相陶瓷可分為三大類內晶型納米復相陶瓷、晶界型納米復相陶瓷、納米—納米復相陶瓷。前二者為納米—微米復合結構，實際上是一種納米粒子增強微米基體的復合材料，由于基體的約束和隔離，納米粒子在燒結時不容易長大，材料制備工藝相對簡單。納米—納米復相陶瓷的基體和第二相晶粒都要保持在納米尺度，由于納米顆粒的巨大活性，在燒結過程中晶界擴散非常快，既有利于達到高致密度又極易發(fā)生晶粒快速生長，因而在最終將微結構控制在納米量級是非常困難。
納米復相陶瓷的制備方法有如下幾類1.粉體混合法。將納米顆粒與基質原料混合，由于納米顆粒尺寸細小，比表面積巨大，極易團聚，故用傳統(tǒng)的球磨法難以將粉體混合均勻。CesaranoJH等將基質粉末和納米粉末制成具有良好分散性的懸浮液，經(jīng)絮凝、干燥，得到復合粉體，成型、燒結后制成納米—微米復相陶瓷。(Cesarano J H，AksayI A.Processing of concentrated aqueous α-Al2O3 suspensionsstabilized with polyelectrolyte.J Am Ceram Soc.1998.70(12)1062)2.復合粉體法。用物理和/或化學的方法直接制備兩種或多種組分的納米復合粉體，經(jīng)反應燒結獲得納米—微米復相陶瓷。如用化學氣相沉積法制備穩(wěn)定的、分布均勻的Si-C-N復合粉體，粒徑為50納米，經(jīng)反應燒結得到SiC-Si3N4納米—微米復相陶瓷。(新原皓一等，高溫超強度Si3N4-SiC復合材料，粉體けよひ粉末冶金，1990，37(2)352-356)又如Bhaduri等人采用燃燒合成的技術合成Al2O3/ZrO2納米復合粉體，Al2O3和ZrO2粒徑分別為35nm和30nm。經(jīng)冷等靜壓成型、熱等靜壓燒結，獲得的納米-納米復相陶瓷。(S.Bhaduri，S.B.Bhaduri，and E.Zhou.J.Mater.Res.，1998，13(1)156)3.反應燒結法。先將混合均勻的多組分粉末壓成素坯，在隨后的燒結過程中各組分之間或組分與燒結氣氛之間發(fā)生化學反應，獲得預期設計的納米復相陶瓷。如將微米級的Al2O3-SiC混合粉體壓實后燒結，部分SiC粒子表層反應生成SiO2，使SiC的顆?？s小為納米級，SiO2又與Al2O3反應生成莫來石，得到納米—微米復相陶瓷。(Sakky Y，Bidmger D D.，Aksay I A.Processingof silicon carbide-mullite-alumina nanocomposite.J.Am.Ceram.Soc.1995.78(2)486)4.溶膠—凝膠法。溶膠—凝膠的基本過程是將前驅體溶于溶劑中形成組分均勻分布溶液，經(jīng)水解(或醇解)縮聚成1nm左右的溶膠粒子，溶膠粒子進一步縮聚形成凝膠。凝膠經(jīng)干燥、煅燒后得到納米粒子，可制備陶瓷材料。如Isamu Moriguchi等人以Tetrabutoxytitanium(TBT)和Tetrebutoxyzirconium(TBZ)為無機前驅體，以n-octadecylaceoacetate(C18AA)為兩性螯合劑，分別制備了組分為TBT-C18AA和TBZ-C18AA、厚度為納米量級凝膠薄膜，將兩種薄膜依次相間迭鋪，經(jīng)過煅燒，脫除其中的水分和有機組分，凝膠層分別變?yōu)門iO2層和ZrO2層，每層的厚度甚至可控制在1nm以下。(Isamu M，Yoshihiro T，Yasutake T，and Shuichi K.Adv.Mater.，1999，11(12)997)。
上述方法均有不足，由于粉體顆粒細小，比表面積大，表面能巨大，在配料過程中納米粉體易團聚，導致材料成分分布不均勻；由于排氣困難，素坯難以成型；燒結時晶粒易長大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有方法的不足，提供一種改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法。解決配料過程中顆粒團聚、成型過程中由于顆粒細小素坯難以成型和燒結過程中納米晶粒極易長大問題。
本發(fā)明的技術方案是——通過化學組裝將組分組裝進入具有離子交換能力的層狀結構材料晶格內部，得到改性層狀結構粉體；——所述改性層狀結構粉體成型、燒結得到納米—納米復相陶瓷?；?
——將所述改性層狀結構粉體摻入普通的陶瓷粉體中，經(jīng)成型、燒結得到納米復相陶瓷所述改性層狀結構粉體粒徑無需在納米量級。
以該改性層狀結構粉體為主體，經(jīng)成型，在燒結過程中，改性層狀結構粉體的各層及層間組分分別原位反應生成新礦物，主晶相限制層間相的發(fā)展空間，層間相的形成阻止主晶相晶粒的長大，得到納米—納米復相陶瓷。
將改性層狀結構粉體摻入普通的陶瓷粉體中，原基質材料形成一般的微米結構，改性層狀結構粉體形成納米結構，可得到納米—微米復相陶瓷。
所述組分是改性離子，包括Al、Zr、Fe、Mn、或Lr水解得到的聚羥基金屬絡離子。
所述具有離子交換能力的層狀結構材料是指晶體結構呈層狀特征且層間離子具有交換能力的材料，如蒙脫石、高嶺石、云母、蛭石、伊利石、或葉臘石等。
本發(fā)明與現(xiàn)有方法的比較具有如下優(yōu)點1. 本發(fā)明無需事先制備納米粉體，通過將組分組裝進入層狀結構材料晶格內而獲得改性層狀結構粉體，粉體的粒徑無需在納米尺度。
2. 本發(fā)明通過燒結過程中的原位反應形成納米顆粒，由于層狀結構的限制，納米顆粒不能長大，解決料納米陶瓷制備過程中納米晶粒極易長大的難題。
具體實施例方式實施例1將AlCl3水解、聚合，制備聚羥基鋁離子，[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+離子，利用層狀蒙脫石的離子交換能力，經(jīng)攪拌，將聚羥基鋁離子插入蒙脫石層間，制備改性層狀結構粉體。將改性粉體成型，然后在1100℃下燒結制成陶瓷。經(jīng)分析測試，陶瓷材料的礦物組成為莫來石、鎂鋁尖晶石，莫來石的平均粒徑為13納米，鎂鋁尖晶石的平均粒徑為8.6納米。納米—納米復相陶瓷的強度、耐磨性、韌性等力學性能均有較大幅度的提高。
實施例2將上述改性層狀結構粉體與普通的陶瓷原料混合，經(jīng)成型、在1100℃燒結，制成陶瓷。經(jīng)測試，陶瓷材料的主晶相粒徑約10微米，在主晶相之間，均勻分散著直徑約50納米的柱狀晶體，為納米—微米復相陶瓷。材料的韌性有較大幅度的提高。
權利要求
1.一種改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法，其特征在于包括——通過化學組裝將組分組裝進入具有離子交換能力的層狀結構材料晶格內部，得到改性層狀結構粉體；——所述改性層狀結構粉體成型、燒結得到納米—納米復相陶瓷，或——所述改性層狀結構粉體摻入普通的陶瓷粉體中，經(jīng)成型、燒結得到納米復相陶瓷。
2.根據(jù)權利要求1所述的改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法，其特征在于所述的組分是Al、Zr、Fe、Mn、或Lr水解得到的聚羥基金屬絡離子。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法，其特征在于所述具有離子交換能力的層狀結構材料是指晶體結構呈層狀特征且層間離子具有交換能力的材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法，其特征在于所述具有離子交換能力的層狀結構材料是蒙脫石、高嶺石、云母、蛭石、伊利石、或葉臘石。
5.權利要求1所述的方法制備的納米復相陶瓷。
全文摘要
一種改性層狀結構粉體制備納米復相陶瓷的方法，包括通過化學組裝將組分組裝進入具有離子交換能力的層狀結構材料晶格內部，得到改性層狀結構粉體；所述改性層狀結構粉體成型、燒結得到納米—納米復相陶瓷，或所述改性層狀結構粉體摻入普通的陶瓷粉體中，經(jīng)成型、燒結得到納米復相陶瓷；本發(fā)明解決了配料過程中顆粒團聚、成型過程中由于顆粒細小素坯難以成型和燒結過程中納米晶粒極易長大問題。
文檔編號C04B35/622GK1397515SQ0211539
公開日2003年2月19日 申請日期2002年6月18日 優(yōu)先權日2002年6月18日
發(fā)明者張志杰, 蘇達根 申請人:華南理工大學