專利名稱：一種納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的制備方法。
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)域的納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料。 該復(fù)合材料是以鈦酸鋁為主成分，與少量的納米鈦酸鋯復(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。
目前鋼鐵冶金方坯連鑄系統(tǒng)中的鋼水中間包氧化鋯(Zr02)定徑水口材料存在著受瞬時(shí) 熱沖擊作用極易發(fā)生熱震開裂剝落、水口孔徑擴(kuò)大導(dǎo)致澆鋼作業(yè)中斷甚至造成跑鋼以至于損 毀連鑄關(guān)鍵設(shè)備結(jié)晶器。急需研究開發(fā)一種耐高溫、熱膨脹系數(shù)較小、高抗熱震性的高溫結(jié) 構(gòu)陶瓷材料，替代現(xiàn)有的定徑水口氧化鋯材料。
鈦酸鋁(Al2Ti05)陶瓷材料具有高的熔點(diǎn)(186(TC)，在室溫 1000"C溫度范圍，鈦酸鋁 具有低的熱膨脹系數(shù)a (a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。但是鈦酸鋁陶瓷材料具有兩個(gè)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(shí)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卯(TC 130(TC不穩(wěn)定，分解成金紅石(Ti02)和剛玉
(a-Al203)，而失去了低膨脹特性。在鈦酸鋁合成配料中引入Si02、 MgO、 MgF2、 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。
鈦酸鋁陶瓷材料在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。王志發(fā)等以工業(yè)氧化鋁和釹白粉為原料，以少量Si02、 MgF2為穩(wěn)定劑，所 研制的鈦酸鋁坩堝具有優(yōu)良的抗熱震及抗鋼液侵蝕性能。應(yīng)用于口腔齒科合金鋼義齒的感應(yīng) 熔煉鑄造過程，可經(jīng)受室溫 165(TC感應(yīng)熔煉的溫度急變20次未開裂損壞，且鈦酸鋁坩堝經(jīng) 受165(TC合金鋼液的熔煉鑄造過程，坩堝內(nèi)表面基本無合金鋼液殘留及侵蝕痕跡，但該鈦酸 鋁坩堝存在強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)。
氧化鋯(Zr02)的熔點(diǎn)為2677r，對(duì)金屬及硅酸鹽熔渣具有優(yōu)良的抗侵蝕能力。本發(fā)明 采用液相沉淀法在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯(n-Zr02)，以耐高溫、高表面活性的納米氧化鋯顆粒作為鈦酸鋁材料的結(jié)合相，制備耐高溫、高強(qiáng)度、高抗熱震性能的納米氧化鋯結(jié)合 鈦酸鋁復(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，該復(fù)合 材料有望作為鋼鐵冶金連鑄定徑水口的更新材料。國內(nèi)外在納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料 方面的研究與應(yīng)用尚未見報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
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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、強(qiáng)度高、高抗熱震的 納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案與技術(shù)特征為
本發(fā)明為一種納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該制備方法包括 以下步驟納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備；復(fù)合材料成型；復(fù)合材料高溫?zé)伞?各制備歩驟的主要技術(shù)特征如下
納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備方法是將粒徑<0.01 mm的鈦酸鋁微粉分散
在摩爾濃度為0.02 0.06mol/L的氧氯化鋯水溶液中，在快速攪拌時(shí)滴加氨水至pH為8.7 9.5得到懸浮體沉淀，懸浮體沉淀經(jīng)脫水、干燥后在》60(TC焙燒2h獲得〈100nm納米氧化 鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料粉體，復(fù)合材料粉體中各成分的重量百分比為納米氧化鋯2 5%， 鈦酸鋁95 98%。
該復(fù)合材料成型方法是采用液壓壓力機(jī)將復(fù)合材料粉體成型制備復(fù)合材料坯體，成型 壓強(qiáng)^150MPa;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)合材料高溫?zé)煞椒ㄊ遣捎秒姞t燒成，復(fù)合材料坯體經(jīng)150(TC保溫2 h燒成獲得
納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料；該復(fù)合材料的燒成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)明納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料配料組成確定的技術(shù)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158(TC，三個(gè)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Al2Ti05-Zr02復(fù)合材料的組成點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離三個(gè)低共熔點(diǎn)位置，且在Al203-Ti02-Zr02三元相 圖的Al2Ti05與Zr02的連線上。
在Al2TiOs組成點(diǎn)到ZrTi04組成點(diǎn)的組成線上，從Al2Ti05與Zr02質(zhì)量比為90 : 10的組成點(diǎn)至Al2丁i05的范圍內(nèi)，處于液相線1800。C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Al2Ti05-Zr02復(fù)合材料。本發(fā)明制備納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的配料 組成確定為近Al2Ti05端的高溫區(qū)域。
根據(jù)復(fù)相材料的復(fù)相韌化機(jī)理，以及利用納米氧化鋯顆粒高比表面能的活性燒結(jié)作用， 采用液相沉淀法在鈦酸鋁材料中弓!入納米氧化鋯，在復(fù)合材料燒結(jié)過程中，可防止鈦酸鋁晶 粒的不均勻生長，獲得納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)，具有高的強(qiáng)度及抗熱震性能。
綜上所述，本發(fā)明在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯，制備具有耐高溫、高強(qiáng)度、高抗熱 震的納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料，有望應(yīng)用于鋼鐵冶金澆鋼系統(tǒng)，成為鋼鐵冶糴連鑄定
徑水口的的更新材料，并可應(yīng)用推廣有色冶金、玻璃、汽車尾氣凈化器、航天、軍工等領(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備將平均粒徑為0.006 mm的鈦酸鋁微粉分散在 摩爾濃度為0.06mol/L的氧氯化鋯水溶液中，在快速攪拌時(shí)滴加氨水至pH為9.2得到懸浮體 沉淀，懸浮體沉淀經(jīng)脫水、干燥后在65(TC焙燒2h獲得納米氧化鋯(<20nm)結(jié)合鈦酸鋁 的復(fù)合材料粉體，復(fù)合材料粉體中各成分的重量百分比為納米氧化鋯5%，鈦酸鋁95%。將 復(fù)合材料粉體采用液壓壓力機(jī)進(jìn)行坯體成型，坯體成型壓強(qiáng)為200MPa。在常壓空氣條件下采 用電爐燒成坯體，燒成溫度為1500'C，保溫時(shí)間為2h。
燒后納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的氣孔率為4.03%，抗折強(qiáng)度為75.4 MPa，熱膨脹 系數(shù)a為1.22X10，C (室溫 100(TC),熱震斷裂次數(shù)為30次(110(TC 室溫水冷)。
實(shí)施例2
納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備將平均粒徑為0.006 mm的鈦酸鋁微粉分散在 摩爾濃度為0.04mol/L的氧氯化鋯水溶液中，在快速攪拌時(shí)滴加氨水至pH為9.2得到懸浮體 沉淀，懸浮體沉淀經(jīng)脫水、干燥后在65(TC焙燒2h獲得納米氧化鋯(<20nm)結(jié)合鈦酸鋁 的復(fù)合材料粉體，復(fù)合材料粉體中各成分的重量百分比為納米氧化鋯3.5%，鈦酸鋁95.5%。 將復(fù)合材料粉體采用液壓壓力機(jī)進(jìn)行坯體成型，坯體成型壓強(qiáng)為200MPa。在常壓空氣條件下 采用電爐燒成坯體，燒成溫度為150(TC，保溫時(shí)間為2h。
燒后納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的氣孔率為6.89%，抗折強(qiáng)度為69.3 MPa，熱膨脹 系數(shù)a為1.18X10—6/°C (室溫 1000。C)，熱震斷裂次數(shù)為32次(110(TC 室溫水冷)。實(shí)施例3
納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備將平均粒徑為0.006 mm的鈦酸鋁微粉分散在 摩爾濃度為0.02mol/L的氧氯化鋯水溶液中，在快速攪拌時(shí)滴加氨水至pH為9.1得到懸浮體 沉淀，懸浮體沉淀經(jīng)脫水、干燥后在65(TC焙燒2h獲得納米氧化鋯(<20nm)結(jié)合鈦酸鋁 的復(fù)合材料粉體，復(fù)合材料粉體中各成分的重量百分比為納米氧化鋯2%，鈦酸鋁98%。將 復(fù)合材料粉體采用液壓壓力機(jī)進(jìn)行坯體成型，坯體成型壓強(qiáng)為200MPa。在常壓空氣條件下采 用電爐燒成坯體，燒成溫度為150(TC，保溫時(shí)間為2h。
燒后納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料的氣孔率為7.54%，抗折強(qiáng)度為58.2MPa，熱膨脹 系數(shù)a為0.78X10—6/°C (室溫 1000'C)，熱震斷裂次數(shù)為36次(1100。C 室溫水冷)。
權(quán)利要求
1、一種納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該復(fù)合材料制備包括以下步驟納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備；復(fù)合材料成型；復(fù)合材料高溫?zé)?；各制備步驟的主要技術(shù)特征如下(1)納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體制備方法是將鈦酸鋁微粉分散在氧氯化鋯水溶液中，在快速攪拌時(shí)滴加氨水至pH為8.7～9.5得到懸浮體沉淀，懸浮體沉淀經(jīng)脫水、干燥后在≥600℃焙燒2h獲得納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料粉體，復(fù)合材料粉體中各成分的重量百分比為納米氧化鋯2～5％，鈦酸鋁95～98％；(2)復(fù)合材料成型該復(fù)合材料成型方法是采用液壓壓力機(jī)將復(fù)合材料粉體成型制備復(fù)合材料坯體，成型壓強(qiáng)≥150MPa；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；(3)復(fù)合材料高溫?zé)稍搹?fù)合材料高溫?zé)煞椒ㄊ遣捎秒姞t燒成，復(fù)合材料坯體經(jīng)1500℃保溫2h燒成獲得納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料；該復(fù)合材料的燒成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)。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的氧氯化鋯水溶液的摩爾濃度為0.02 0.06 mol/L。
3、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的鈦酸鋁微粉的粒經(jīng)<0.01 mm。
4、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的納米氧化鋯的粒徑〈100nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁的復(fù)合材料的制備方法，屬陶瓷材料領(lǐng)域。其制備方法是將粒徑＜0.01mm鈦酸鋁微粉分散在濃度0.02～0.06mol/L的氧氯化鋯水溶液中，在攪拌時(shí)滴加氨水至pH為8.7～9.5得懸浮體沉淀，該沉淀經(jīng)脫水干燥后在＞600℃焙燒2h獲得＜100nm納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料粉體，該粉體各成分的重量百分比組成為氧化鋯2％～10％，鈦酸鋁90～98％；該粉體壓力成型坯體的壓強(qiáng)≥100MPa；坯體經(jīng)1500℃保溫2h燒結(jié)獲得納米氧化鋯結(jié)合鈦酸鋁復(fù)合材料。該材料的強(qiáng)度比普通鈦酸鋁材料高，是鋼鐵冶金連鑄水口或有色冶金升液管有希望的更新材料。
文檔編號(hào)C04B35/462GK101423389SQ20081018203
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者卜景龍, 王志發(fā), 王瑞生, 范增為, 翠 賈 申請人:河北理工大學(xué)