專利名稱：一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是開(kāi)發(fā)一種可用于冶金、汽車(chē)、航天等領(lǐng)域的鈦酸鋯(ZrTi04)高溫結(jié)構(gòu)材料。 該材料具有良好的高溫性能、強(qiáng)度及較好的抗熱震性。
鈦酸鋯(ZrTi04)為不一致熔化合物，轉(zhuǎn)熔溫度為1900°C。鈦酸鋯具有高強(qiáng)度、低介電 損耗、及良好的溫度穩(wěn)定性，是制備電容器、壓電傳感器以及微波介電諧振器的重要電子陶 瓷材料，在微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域中越來(lái)越受到重視。在鈦酸鋯配料中摻雜各種添加物可以進(jìn)一 步改善介電性能。
張淑霞，李建保，曹俊等采用共沉淀的方法制備了一系列ZrxTi,-x04 (0.4《x《0.6)納 米粉，XRD物相分析為ZrTi04固溶體，TEM觀察粒子粒徑為20 30nm。通過(guò)制陶實(shí)驗(yàn)對(duì)該 系列固溶體的燒結(jié)特性、形貌及介電性能進(jìn)行了研究。
翟華嶂，李建保，歐陽(yáng)可青等利用化學(xué)共沉淀方法制備一系列Zr02-Ti02-YO。三元體系 的固溶體納米粉。通過(guò)X射線衍射、透射電鏡分析和比表面積測(cè)量，確定固溶粉體為單一四 方相結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸在10 25nm。
ZrTi04粉料在用固相反應(yīng)的方法制備時(shí)，合成溫度為140(TC左右合成時(shí)間也很長(zhǎng)，而且 在這種條件下合成后粉料會(huì)結(jié)成難以粉碎的硬塊。為此人們?cè)捎迷S多化學(xué)方法來(lái)制備但成 本昂貴，加入添加物如ZnO、 CuO、 NiO、 1^203等，可以改善燒結(jié)性能，但添加物也可能在 晶界處形成第二相造成介電性能下降。進(jìn)一歩的研究表明ZrTi04通過(guò)微裂紋表現(xiàn)出來(lái)的熱力 學(xué)性能與具有低熱膨脹特性的HfTi04相似。
王國(guó)慶，吳順華，趙玉雙等采用粉體固相燒結(jié)的一般電子陶瓷工藝在中溫(1150°C)燒 結(jié)條件下制備了(Zr，Sn)Ti04系統(tǒng)多層陶瓷電容器用高頻陶瓷材料。通過(guò)向系統(tǒng)中加入CuO、 ZnO、 BaC03、 SrC03等添加并iJ，達(dá)到了降低燒成溫度并提高介電性能的效果。
然而鈦酸鋯材料優(yōu)良的耐高溫性能在工業(yè)陶瓷及高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中并未獲得關(guān)注，在 國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有鈦酸鋯用于高溫結(jié)構(gòu)材料方面的研究與應(yīng)用報(bào)道。
本發(fā)明采用非納米的工業(yè)純的氧化鋯和氧化鈦粉體，弓l入少量燒結(jié)劑MgO、 CaO、 Si02， 以固相燒結(jié)工藝制備高強(qiáng)度、低膨脹的鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料。為鋼鐵及有色冶金、航天等工 業(yè)領(lǐng)域提供一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料。此方面的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法。
一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于該材料所用原料以及原料的重量百分比為非穩(wěn) 定氧化鋯粉62 63.5%;金紅石型氧化鈦粉36 37.5%;燒結(jié)劑MgO粉、CaO粉或Si02粉0.5 1.5%。
該材料所用原料的粒徑為非穩(wěn)定氧化鋯粉及金紅石型氧化鈦粉的粒徑均〈0.060mm， 所述燒結(jié)劑粒徑<0.040 mm。
該材料所用原料純度的重量百分比含量為非穩(wěn)定氧化鋯粉中的Zr02》98。/。；金紅石型 氧化鈦粉中的Ti02》98。/。。燒結(jié)劑MgO粉、CaO粉或Si02粉的純度均》99o/Q。
該材料的制備方法是將非穩(wěn)定氧化鋯粉和金紅石型氧化鈦粉，以及燒結(jié)劑MgO粉、CaO 粉或Si02粉，按比例混合濕磨0.5h，然后將濕磨后料漿經(jīng)IO(TC干燥10h，在干坯料中加入 質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液6% (重量百分比)，攪拌10min后靜置5h獲得成型坯料， 經(jīng)壓力成型、燒結(jié)得到鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料。
該材料的壓力成型方法是采用液壓機(jī)或摩擦壓力機(jī)對(duì)坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為 70 100MPa。該材料的成型方法還包括等靜壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、輥壓成型、 真空擠壓成型或凝膠注模成型。
該材料的燒結(jié)方法是采用電爐燒結(jié)的溫度為153(TC，保溫時(shí)間為2.5 h。該材料的燒 結(jié)方法還包括熱壓燒結(jié)、高溫真空燒結(jié)或高溫氮?dú)鉄Y(jié)。
本發(fā)明的鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料的組成設(shè)計(jì)思路為
在Ti02-Zr02二元系統(tǒng)中，二元化合物ZrTi04的組成摩爾比Zr02: TiOz為1: 1。 ZrTi04 的質(zhì)量組成為ZrO260.6%; Ti0239.4%。在ZrTi04右側(cè)的ZrTi04-Ti02子系統(tǒng)中，液相出現(xiàn)溫 度為1800。C。在ZrTi04左側(cè)的Zr02-ZrTi04子系統(tǒng)中，液相出現(xiàn)溫度為1卯(TC。本發(fā)明確定 的配料組成點(diǎn)位于ZrTi04的左側(cè)，配料的組成摩爾比Zr02: Ti02為(1.045 1. 055): (0.945 0.955);配料的質(zhì)量百分組成為Zr02 62 63.5%，金紅石型氧化鈦粉36~37.5%。按此組成 點(diǎn)配料制備的鈦酸鋯材料的耐高溫性能優(yōu)良(液相出現(xiàn)溫度為190(TC)。
按照上述的配料組成范圍制備出的鈦酸鋯材料的物相為ZrTi04與少量的Zr02。本發(fā)明在 配料中引入的燒結(jié)劑MgO、 CaO或Si02，意圖使MgO在高溫時(shí)與Zr02反應(yīng)形成鎂鋯共晶體 (液相出現(xiàn)溫度為207(TC); CaO在高溫時(shí)與Zr02反應(yīng)形成鋯酸鈣(CaZr03，液相出現(xiàn)溫度 為225(TC); Si02在高溫時(shí)與Zr02反應(yīng)形成鋯英石(ZrSi04，液相出現(xiàn)溫度為1687°C)。
燒結(jié)劑MgO、 CaO或Si02在高溫時(shí)與Zr02反應(yīng)形成的鎂鋯共晶體、鋯酸鈣、鋯英石等
產(chǎn)物新相，具有高的表面能活性，可促進(jìn)鈦酸鋯材料的燒結(jié)致密化。
綜上所述，本發(fā)明在鈦酸鋯配料中引入燒結(jié)劑，以常規(guī)粉體燒結(jié)制備獲得具有耐高溫、 高強(qiáng)度、抗熱震的新型鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料。該材料有望應(yīng)用于鋼鐵冶金澆鋼系統(tǒng)，以及有 色冶金、玻璃、汽車(chē)尾氣凈化器、航天、軍工等領(lǐng)域。目前對(duì)鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研 究與應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
配料組成非穩(wěn)定氧化鋯粉63%;金紅石型氧化鈦粉36%;燒結(jié)劑CaO粉P/。。 將非穩(wěn)定氧化鋯粉和金紅石型氧化鈦粉以及燒結(jié)劑CaO粉混合濕磨0.5 h，然后將濕磨后 料槳經(jīng)IO(TC干燥10h，在干坯料中加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液6% (重量百分比)， 攪拌10min后靜置5h獲得成型坯料。采用液壓機(jī)對(duì)坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為100 MPa。 將成型后坯體放入電爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1530'C，保溫時(shí)間為2.5h。
燒后鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.54 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為82.6 MPa，熱 膨脹系數(shù)a為7.3xl(T，C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數(shù)為5次(110(TC 室溫空氣冷卻)。
實(shí)施例2
配料組成非穩(wěn)定氧化鋯粉63%;金紅石型氧化鈦粉36%;燒結(jié)劑8102粉1%。
將非穩(wěn)定氧化鋯粉和金紅石型氧化鈦粉以及燒結(jié)劑Si02粉混合濕磨0.5 h，然后將濕磨后 料漿經(jīng)IO(TC干燥10h，在干坯料中加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液6% (重量百分比)， 攪拌10 min后靜置5 h獲得成型坯料。采用液壓機(jī)對(duì)坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為100 MPa。 將成型后坯體放入電爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為153(TC，保溫時(shí)間為2.5 h。
燒后鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.61 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為91.3 MPa，熱 膨脹系數(shù)a為6.8xlO—6/°C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數(shù)為7次(110(TC 室溫空氣冷卻)。
實(shí)施例3
配料組成非穩(wěn)定氧化鋯粉62%;金紅石型氧化鈦粉37%;燒結(jié)劑MgO粉1%。
將非穩(wěn)定氧化鋯粉和金紅石型氧化鈦粉以及燒結(jié)劑MgO粉混合濕磨0.5 h，然后將濕磨 后料漿經(jīng)IOO'C干燥10h，在干坯料中加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液6%(重量百分比)， 攪拌10 min后靜置5 h獲得成型坯料。采用液壓機(jī)對(duì)坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為100 MPa。 將成型后坯體放入電爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為153(TC，保溫時(shí)間為2.5h。
燒后鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.65 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為78.2 MPa，熱 膨脹系數(shù)a為7.2x10—6/°C (室溫 1000。C)，熱震斷裂次數(shù)為6次(1100。C 室溫空氣冷卻)。
權(quán)利要求
1、一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于該材料所用原料以及原料的重量百分比為非穩(wěn)定氧化鋯粉62～63.5％；金紅石型氧化鈦粉36～37.5％；燒結(jié)劑MgO粉、CaO粉或SiO2粉0.5～1.5％。
2、 如權(quán)利要求1所述鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于該材料所用原料的粒徑為非穩(wěn) 定氧化鋯粉及金紅石型氧化鈦粉的粒徑<0.060 mm，所述燒結(jié)劑粒徑<0.040 mm。
3、 如權(quán)利要求1所述鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于該材料所用原料純度的重量百分 比含量為非穩(wěn)定氧化鋯粉中的Zr02》98。/。；金紅石型氧化鈦粉中的1102>98%。燒結(jié)劑 MgO粉、CaO粉或Si02粉的純度均^99。/。。
4、 一種如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于將非穩(wěn)定氧 化鋯粉和金紅石型氧化鈦粉，以及燒結(jié)劑MgO粉、CaO粉或Si02粉，按比例混合濕磨0.5h， 然后將濕磨后料漿經(jīng)IO(TC干燥10h，在干坯料中加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液6%(重 量百分比)，攪拌10min后靜置5h獲得成型坯料，經(jīng)壓力成型、燒結(jié)得到鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材 料。
5、 如權(quán)利要求4所述的鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于采用液壓機(jī)或摩 擦壓力機(jī)對(duì)坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為70 100MPa。該材料的成型方法還包括等靜 壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、輥壓成型、真空擠壓成型或凝膠注模成型。
6、 如權(quán)利要求4所述的鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于采用電爐燒結(jié)的 溫度為153(TC，保溫時(shí)間為2.5 h。該材料的燒結(jié)方法還包括熱壓燒結(jié)、高溫真空燒結(jié)或 高溫氮?dú)鉄Y(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦酸鋯高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。該材料所用原料及原料的重量百分比為粒徑＜0.060mm的非穩(wěn)定氧化鋯粉62～63.5％、金紅石型氧化鈦粉36～37.5％，粒徑＜0.040mm的MgO粉、CaO粉或SiO₂粉0.5～1.5％。該材料的制備方法是將各種原料混合濕磨0.5h，然后將濕磨料漿經(jīng)100℃干燥10h，在干坯料中加入濃度為0.5％的聚乙烯醇溶液6％(重量百分比)，攪拌10min后靜置5h獲得成型坯料。坯體的成型壓強(qiáng)為70～100MPa，成型后坯體經(jīng)1530℃保溫2.5h燒結(jié)獲得耐高溫、強(qiáng)度高的鈦酸鋯材料。該材料可用于冶金、汽車(chē)、航天等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C04B35/462GK101391889SQ20081017794
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者卜景龍, 張明熹, 景建成, 王志發(fā), 王榕林, 翠 賈 申請(qǐng)人:河北理工大學(xué)