專利名稱：一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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)域的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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與納米氧化鈦復(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 100(TC溫度范圍，鈦酸鋁 具有低的熱膨脹系數(shù)a (ci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900。C 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、有色金屬鋁冶煉柑堝、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)氧化鋁和鈦白粉為原料，似少量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2677t:，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 采用在鈦酸鋁材料中引入少量的納米氧化鋯(n-Zr02)及納米氧化鈦(n-Ti02)，制備耐高溫、高強(qiáng)度、高抗熱震性能的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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)外在鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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
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 鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案與技術(shù)特征為
本發(fā)明為一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，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鋁粉91 94.5%，納米氧化鋯粉4.5 8%，納米氧化
鈦粉1 1.5%;該復(fù)合材料制備包括以下步驟坯料制備；坯體成型；坯體干燥；坯體高溫 燒成。
該復(fù)合材料所用原料的粒徑鈦酸鋁粉〈0.03mm，納米氧化鋯粉<100nm，納米氧化鈦 粉〈100nm。
該復(fù)合材料所用原料純度的重量百分比含量為鈦酸鋁粉中的Al2TiO5》90%，納米氧化 鋯粉中的Zr02》99%，納米氧化鈦粉Ti02》99%。
該復(fù)合材料坯料制備方法是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉干混后，與足 夠量的酚醛樹脂-乙醇稀釋液混合形成料漿，對(duì)料槳攪拌IO分鐘后去除乙醇得到供成型的坯 料。酚醛樹脂-乙醇稀釋液所用的是醇溶性的液態(tài)熱固型酚醛樹脂，該稀釋液中酚醛樹脂的質(zhì) 量濃度為1.5%。 .
該復(fù)合材料坯體成型方法是釆用液壓壓力成型、摩擦壓力成型，坯體成型壓強(qiáng)為100 150MPa;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)合材料坯體干燥方法是；成型后坯體在110'C干燥2h。
該復(fù)合材料坯體燒成方法是干燥后坯體經(jīng)1500 1550°C保溫時(shí)間2 3 h燒成后得到
鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料。該復(fù)合材料的燒結(jié)方法包括常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、真空
燒結(jié)或氮?dú)鉄Y(jié)。
本發(fā)明鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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-ZrTi04子系統(tǒng)低共熔溫度為1590°C， Al2TiOrZrTi04-Ti02子系統(tǒng)的低共熔溫度為1580°C，兩個(gè)低共熔溫度點(diǎn)的組成位置基本處Al2Ti05含量為35%~50%的范圍內(nèi)，因此制備Al2Ti05-Zr02- ZrTi04復(fù)合材料的組成點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離 兩個(gè)低共熔點(diǎn)位置，且在Zr02-Al2Ti05-ZrTi04三元相圖的Al2Ti05與Zr02的連線附近。
在Al2Ti05組成點(diǎn)到ZrTi04組成點(diǎn)的組成線上，從八121105與Zr02質(zhì)量比為90 : 10的 組成點(diǎn)至Al2TiOs的范圍內(nèi)，處于液相線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Ab03-Ti02-Zr02復(fù)合材料。本發(fā)明制備鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(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， 在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯，在復(fù)合材料燒成過程中，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)。在鈦酸鋁材料中引入1 1.5%的納米氧化鈦， 可與納米氧化鋯高溫反應(yīng)形成約1.5 2.2%的產(chǎn)物新相鈦酸鋯，該新相鈦酸鋯與鈦酸鋁固溶 并促進(jìn)鈦酸鋁的燒結(jié)。
綜上所述，本發(fā)明在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯及納米氧化鈦，利用納米氧化鋯與納 米氧化鈦的活性燒結(jié)作用、二者反應(yīng)形成新相鈦酸鋯的促進(jìn)燒結(jié)作用，制備出耐高溫、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，該復(fù)合材料有望應(yīng)用于鋼鐵冶金澆鋼系統(tǒng)， 成為鋼鐵冶金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
復(fù)合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉94.5X， 〈100nm的納米氧化鋯 粉4.5%， 〈10()nm的納米氧化鈦粉lX，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化 鈦粉干混后，與足夠量的乙醇-酚醛樹脂稀釋液混合形成料漿，對(duì)料槳攪拌10分鐘后去除乙 醇得到供成型的坯料；坯體成型壓強(qiáng)為100MPa;坯體在ll(TC干燥2 h;干燥后坯體經(jīng)1500 保溫時(shí)間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料的氣孔率為8.24%，抗折強(qiáng)度為58.2 MPa，熱膨脹系 數(shù)a為0.86X1(T6/°C (室溫 1000。C)，熱震斷裂次數(shù)為35次(1100。C 室溫水冷)。
實(shí)施例2
復(fù)合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉93X， <100 nm的納米氧化鋯粉 6%， 〈100nm的納米氧化鈦粉lX，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉200810182037.5 釋液混合形成料漿，對(duì)料漿攪拌10分鐘后去除乙醇得 到供成型的坯料；坯體成型壓強(qiáng)為100MPa;坯體在ll(TC干燥2 h;干燥后坯體經(jīng)1500保溫 時(shí)間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料的氣孔率為7.41%，抗折強(qiáng)度為67.4 MPa，熱膨脹系 數(shù)a為1.05X10，C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數(shù)為34次(110(TC 室溫水冷)。
鈦酸鋁粉91 94.5%，納米氧化鋯粉4.5 8%，納米氧化鈦粉1 1.5%; 實(shí)施例3
復(fù)合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉91X， <100 nm的納米氧化鋯粉 7.5%， 〈100nm的納米氧化鈦粉1.5X，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化 鈦粉干混后，與足夠量的乙醇-酚醛樹脂稀釋液混合形成料漿，對(duì)料漿攪拌10分鐘后去除乙 醇得到供成型的坯料；坯體成型壓強(qiáng)為lOOMPa;坯體在11(TC干燥2h;干燥后坯體經(jīng)1500 保溫時(shí)間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料的氣孔率為5.11%，抗折強(qiáng)度為77.2MPa，熱膨脹系 數(shù)a為1.32X10—6廠C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數(shù)為31次(1100。C 室溫水冷)。
權(quán)利要求
1、一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，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鋁粉91～94.5％，納米氧化鋯粉4.5～8％，納米氧化鈦粉1～1.5％。該復(fù)合材料制備包括以下步驟坯料制備；坯體成型；坯體干燥；坯體高溫?zé)伞?br> 2、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于所用 原料的粒徑為鈦酸鋁粉<0.03 mm，納米氧化鋯粉< 100 nm，納米氧化鈦粉< 100 nm。
3、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于所用 原料純度的重量百分比含量為鈦酸鋁粉中的Al2TiO5》90%，納米氧化鋯粉中的Zr02》99%， 納米氧化鈦粉Ti02》99%。
4、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于坯料 制備方法是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉干混后，與足夠量的酚醛樹脂-乙醇 稀釋液混合形成料漿，對(duì)料漿攪拌IO分鐘后去除乙醇得到供成型的坯料。
5、 如權(quán)利要求4所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于酚醛 樹脂-乙醇稀釋液所用的是醇溶性的液態(tài)熱固型酚醛樹脂，該稀釋液中酚醛樹脂的質(zhì)量濃度為 1.5 0/o。
6、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于坯體 成型方法是采用液壓壓力成型、摩擦壓力成型，坯體成型壓強(qiáng)為100 150MPa;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。
7、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于坯體干燥方法是成型后坯體在110'C干燥2h。
8、 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于坯體 燒成方法是干燥后坯體經(jīng)1500 1550°C保溫2 3 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù) 合材料；該復(fù)合材料的燒成方法包括常壓燒成、熱壓燒成、真空燒成或氮?dú)鉄伞?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料及其制備方法，屬陶瓷材料領(lǐng)域。該復(fù)合材料所用原料以及原料的重量百分比為＜0.03mm鈦酸鋁粉91～94.5％，＜100nm納米氧化鋯粉4.5～8％，＜100nm納米氧化鈦粉1～1.5％。其制備方法是將上述原料干混后，與足夠量的酚醛樹脂-乙醇稀釋液混合后攪拌10分鐘，將攪拌后的料漿去除乙醇后得到供成型的坯料；坯體成型壓強(qiáng)100～150MPa；成型后坯體在110℃干燥2h；干燥后坯體經(jīng)1500～1550℃保溫2～3h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復(fù)合材料。該材料的強(qiáng)度比普通鈦酸鋁材料高的多，是冶金、玻璃、汽車、航天等領(lǐng)域有希望的更新材料。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101423390SQ20081018203
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)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, 朱寶利, 王志發(fā), 王瑞生, 翠 賈 申請(qǐng)人:河北理工大學(xué)