專利名稱：一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法
一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)
本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是開發(fā)一種可用于冶金、汽車、航天等領(lǐng)域的鈦酸鋯基(ZrTi04-Al2Ti05)高溫結(jié) 構(gòu)復(fù)合材料。該復(fù)合材料是以鈦酸鋯為主成分，與少量的鈦酸鋁復(fù)合而成，該復(fù)合材料具有 良好的高溫性能、強(qiáng)度及抗熱震性。
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。然而鈦酸鋯材料優(yōu)良的耐高溫性能在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中并未獲得關(guān)注，國內(nèi)外尚 未見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。
鈦酸鋁(Al2Ti05)陶瓷材料具有高的熔點(diǎn)(186(TC)，在室溫 100(TC溫度范圍，鈦酸鋁 具有低的熱膨脹系數(shù)a (ct小于零，或接近于零)，是目前僅有的低膨脹、高熔點(diǎn)的抗熱震陶 瓷材料。鈦酸鋁陶瓷材料具有兩個缺點(diǎn) 一是鈦酸鋁晶體各晶軸的熱膨脹差異較大，導(dǎo)致鈦 酸鋁在冷卻時產(chǎn)生微裂紋，故而鈦酸鋁材料的機(jī)械強(qiáng)度較低，常溫抗折強(qiáng)度低于20 MPa; 二 是高溫合成的鈦酸鋁降溫至90(TC 130(TC不穩(wěn)定，分解成金紅石(Ti02)和剛玉(a -A1203)， 而失去了低膨脹特性。在鈦酸鋁合成配料中引入Si02、 MgO、 Zr02、 Fe203等穩(wěn)定劑，鈦酸 鋁中溫分解得到有效抑制，其強(qiáng)度也有所改善。目前，鈦酸鋁陶瓷材料已應(yīng)用于齒科不銹鋼 合金熔煉坩堝、有色金屬鋁冶煉坩堝、鑄鋁升液管、浮法玻璃流液閘板、汽車尾氣凈化器載 體等。引入穩(wěn)定劑的鈦酸鋁材料其強(qiáng)度雖有所提高(常溫抗折強(qiáng)度30MPa左右)，但仍屬較 低強(qiáng)度陶瓷材料，限制了鈦酸鋁材料在鋼鐵冶金、航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
將鈦酸鋯材料與鈦酸鋁材料復(fù)合，利用鈦酸鋯材料的耐高溫、高強(qiáng)度特性，以及鈦酸鋁 的耐高溫、低膨脹特性，制備一種耐高溫、高強(qiáng)度、抗熱震良好的鈦酸鋯基(ZrTi04-Al2Ti05) 高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，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 面的的研究與應(yīng)用在國內(nèi)外尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種耐高溫、高強(qiáng)度、抗熱震良好 的鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法。
一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料所用原料以及原料的重量百分比為鈦酸鋯粉90 98%;鈦酸鋁粉2 10%。 該復(fù)合材料所用原料的粒徑<0.074 mm。
該復(fù)合材料所用原料純度的重量百分比含量為鈦酸鋯粉中的ZrTiO4》90%;鈦酸鋁粉 中的Al2TiO5》90%。
該復(fù)合材料的制備方法是將鈦酸鋯粉及鈦酸鋁粉計(jì)量配料后干混l分鐘，然后加入質(zhì) 量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液結(jié)合劑6% (重量百分比)，攪拌5min后靜置困料5h獲得成 型坯料，經(jīng)壓力成型、燒結(jié)得到鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
該復(fù)合材料的壓力成型方法是采用液壓壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)對坯料進(jìn)行壓制成型，成 型壓強(qiáng)為70 100MPa。該復(fù)合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。
該復(fù)合材料的燒結(jié)方法是采用電爐燒結(jié)的溫度》150(TC，保溫3小時。該復(fù)合材料的
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)明的鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的組成設(shè)計(jì)思路為
在Al203-Ti02-Zr02三元系統(tǒng)中，Zr02-Al2Ti05-Al203子系統(tǒng)低共熔溫度為1610°C， Zr02-Al2Ti05-ZrTi04子系統(tǒng)低共熔溫度為1590°C， Al2Ti05-ZrTi04-Ti02子系統(tǒng)的低共熔溫度 為1580'C，三個低共熔溫度點(diǎn)的組成位置基本處于八121105含量為50%~70%的范圍內(nèi)，因此 制備ZrTi04-Al2Ti05復(fù)相材料-，其組成點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離三個低共熔點(diǎn)位置，且在A1203-TiOrZr02三 元相圖的ZrTi04組成點(diǎn)與Al2Ti05組成點(diǎn)的連線上。
在八121105組成點(diǎn)到ZrTi04組成點(diǎn)的組成線上，從ZrTi04與八121105質(zhì)量比為卯10 到ZrTi04組成點(diǎn)的范圍內(nèi)，均屬于液相線180(TC以上的高溫區(qū)。故在以上比例范圍內(nèi)配料， 可得到耐高溫的ZrTi04-AbTi05復(fù)合材料。試驗(yàn)制備鈦酸鋯基(ZrTi04-Al2Ti05)高溫結(jié)構(gòu)復(fù) 合材料的配料組成點(diǎn)確定為近ZrTi04端的高溫區(qū)域。
綜上所述，本發(fā)明根據(jù)鈦酸鋯材料和鈦酸鋁材料的優(yōu)良特性，在鈦酸鋯為主成分材料中 引入少量的鈦酸鋁，制備鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，獲得具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗熱震良 好的新型高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料。改復(fù)合材料有望應(yīng)用于鋼鐵冶金澆鋼系統(tǒng)，以及有色冶金、玻 璃、汽車尾氣凈化器、航天、軍工等領(lǐng)域。目前對鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究與應(yīng)用， 在國內(nèi)尚屬空白。 '
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1配料組成粒徑<0.74 mm的鈦酸鋯粉98% ，粒徑<0.074 mm的鈦酸鋁粉2% 。 將鈦酸鋯粉及鈦酸鋁粉計(jì)量配料后干混1分鐘，然后加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶
液結(jié)合劑6% (重量百分比)，攪拌5 min后靜置困料5 h后獲得成型坯料。將成型坯料采用液
壓壓力機(jī)進(jìn)行試樣成型，試樣成型壓強(qiáng)為100MPa;在常壓空氣條件下采用電爐燒結(jié)試樣，燒
結(jié)溫度為1550°C，保溫時間為3 h。
燒后鈦酸鋯基卨溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.45 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為85.2 MPa，
熱膨脹系數(shù)a為6.3X10—6/°C (室溫 100CTC)，熱震斷裂次數(shù)為11次(110(TC 室溫空氣冷卻)。
實(shí)施例2
配料組成粒徑<0.74 mm的鈦酸鋯粉95% ，粒徑<0.074 mm的鈦酸鋁粉5% 。 將鈦酸鋯粉及鈦酸鋁粉計(jì)量配料后干混1分鐘，然后加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶 液結(jié)合劑6% (重量百分比)，攪拌5 min后靜置困料5 h后獲得成型坯料。將成型坯料采用液 壓壓力機(jī)進(jìn)行試樣成型，試樣成型壓強(qiáng)為100MPa;在常壓空氣條件下采用電爐燒結(jié)試樣，燒 結(jié)溫度為1550°C，保溫時間為3 h。
燒后鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.43 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為75.4 MPa， 熱膨脹系數(shù)a為5.9X10YC (室溫 1000。C),熱震斷裂次數(shù)為12次(110(TC 室溫空氣冷卻)。
實(shí)施例3
配料組成粒徑〈0.74mm的鈦酸鋯粉92X，粒徑<0.074 mm的鈦酸鋁粉8% 。 將鈦酸鋯粉及鈦酸鋁粉計(jì)量配料后干混1分鐘，然后加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶 液結(jié)合劑6% (重量百分比)，攪拌5 min后靜置困料5 h后獲得成型坯料。將成型坯料采用液 壓壓力機(jī)進(jìn)行試樣成型，試樣成型壓強(qiáng)為100MPa;在常壓空氣條件下采用電爐燒結(jié)試樣，燒 結(jié)溫度為155(TC，保溫時間為3 h。
燒后鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的體積密度為4.38 g/cm—3，抗折強(qiáng)度為70.7 MPa， 熱膨脹系數(shù)a為5.8X10—6/°C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數(shù)為15次(110(TC 室溫空氣冷卻)。
權(quán)利要求
1、一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料所用原料以及原料的重量百分比為鈦酸鋯粉90～98％；鈦酸鋁粉2～10％。
2、 如權(quán)利要求1所述鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其特征在于所用原料的粒徑<0.074mm。
3、 如權(quán)利要求1所述鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其特征在于所用原料純度的重量百分 比含量為鈦酸鋯粉中的ZrTiO4》90。/。；鈦酸鋁粉中的Al2TiO5》90%。
4、 一種如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將鈦 酸鋯粉及鈦酸鋁粉計(jì)量配料后干混1分鐘，然后加入質(zhì)量濃度為0.5%的聚乙烯醇溶液結(jié)合劑 6%(重量百分比)，攪拌5min后靜置困料5h獲得成型坯料；經(jīng)壓力成型、燒結(jié)得到鈦酸鋯 基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
5、 如權(quán)利要求4所述的鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用液壓 壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)對坯料進(jìn)行壓制成型，成型壓強(qiáng)為70 100MPa。該復(fù)合材料的成型方 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所述的鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用電爐 燒結(jié)的溫度為^150(TC，保溫3小時。該復(fù)合材料的燒結(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)明涉及一種鈦酸鋯基高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。該復(fù)合材料所用原料及原料的重量百分比為鈦酸鋯粉90～98％、鈦酸鋁粉2～10％。所用原料的粒徑＜0.074mm。該復(fù)合材料的制備方法是將原料計(jì)量配料后干混1分鐘，然后加入質(zhì)量濃度為0.5％的聚乙烯醇溶液結(jié)合劑6％(重量百分比)，攪拌5min后靜置困料5h獲得成型坯料；采用液壓壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)對坯料進(jìn)行壓制成型，坯體的成型壓強(qiáng)為70～100MPa；成型后坯體經(jīng)≥1500℃保溫3小時燒結(jié)獲得耐高溫、強(qiáng)度高、抗熱震良好的鈦酸鋯基復(fù)合材料。該復(fù)合材料可用于冶金、汽車、航天等領(lǐng)域。
文檔編號C04B35/462GK101407416SQ20081017794
公開日2009年4月15日 申請日期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, 王志發(fā), 王榕林, 管丹丹, 翠 賈, 馬淑龍 申請人:河北理工大學(xué)