專利名稱：一種協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷及其制備方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁陶瓷是氧化物中最穩(wěn)定的物質(zhì)，具有機(jī)械強(qiáng)度大、硬度高、耐磨、耐高溫、耐 腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損耗等特點，加上其價格低廉，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣的結(jié) 構(gòu)陶瓷及功能陶瓷材料，在航天、航空、發(fā)動機(jī)耐磨部件、電子瓷、陶瓷閥芯、刀具等方面均 得到了廣泛應(yīng)用。氧化鋁陶瓷材料的結(jié)構(gòu)屬于剛玉型，其本身具有離子鍵的特性，使得滑移系的數(shù) 量遠(yuǎn)比不上金屬，導(dǎo)致其缺乏一定的韌性與塑性，斷裂韌性通常只有3 4MPa · m"2，這大 大限制了氧化鋁陶瓷的廣泛應(yīng)用，同時極大地降低了氧化鋁陶瓷制品的成品率、使用壽命， 以及工作可靠性和使用安全性。當(dāng)將氧化鋁陶瓷制品在燒結(jié)后進(jìn)行機(jī)械磨屑與拋光的過程 中，由于機(jī)械加工過程中的應(yīng)力作用，會使韌性較低的氧化鋁陶瓷制品出現(xiàn)脆裂，由此導(dǎo)致 加工過程中大量廢品的產(chǎn)生；此外，在實際使用過程中的氧化鋁陶瓷制品，經(jīng)常會受到熱沖 擊與機(jī)械沖擊的作用，當(dāng)環(huán)境沖擊力超過氧化鋁陶瓷自身的強(qiáng)度韌性承受范圍時，陶瓷制 品立即產(chǎn)生斷裂，從而影響其工作可靠性和使用安全性。因而，提高氧化鋁陶瓷的韌性是氧 化鋁陶瓷制品迫切需要解決的重要課題。為提高氧化鋁陶瓷的韌性，科研工作者對氧化鋁陶瓷的增韌途徑及增韌機(jī)理展開 了廣泛研究，主要集中在通過顆粒增韌、相變增韌、纖維增韌等來提高氧化鋁陶瓷的韌性。 劉軍等(佛山陶瓷，1994，4 10-14)對硬質(zhì)顆粒彌散強(qiáng)韌化氧化鋁陶瓷進(jìn)行了闡述，當(dāng)在氧 化鋁中添加TiC顆粒時，能夠顯著改善氧化鋁陶瓷的強(qiáng)韌性，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)850MPa，斷裂 韌性可達(dá)4. 5MPa ·πι1/20鐘金豹等(工具技術(shù)，2008，10 :51_54)在氧化鋁基體中添加15wt% 的納米3Y-Zr02，陶瓷的抗彎強(qiáng)度達(dá)到766. 74MPa、斷裂韌性超過6. 13MPa · m1/20張建良等 (硅酸鹽學(xué)報，1994，1 :97-101)對碳纖維補(bǔ)強(qiáng)氧化鋁陶瓷展開研究，采用熱壓的方法制備 了碳纖維/氧化鋁復(fù)合陶瓷，與未添加碳纖維的氧化鋁陶瓷相比，其抗彎強(qiáng)度有明顯提高， 但斷裂韌性提高不大。中國專利(ZL200610091975. 5)公開了一種莫來石纖維增韌氧化鋁 陶瓷的制備方法，通過在氧化鋁陶瓷中添加莫來石纖維以及其它助溶劑，使氧化鋁陶瓷材 料的抗彎強(qiáng)度提高了 2 3倍，斷裂韌性提高了 4 5倍。近年來，將幾種增韌過程結(jié)合起來探索更進(jìn)一步提高陶瓷系統(tǒng)抗斷裂能力的途徑 逐漸引起人們的興趣。如郭小龍等(青島大學(xué)學(xué)報，2003，3 32-36)采用&02的相變強(qiáng)韌化 和納米SiC顆粒的彌散強(qiáng)韌化，發(fā)現(xiàn)兩個因素的協(xié)調(diào)作用能使強(qiáng)韌化的效果增大。通過多種 強(qiáng)化與增韌的配合，尋找合適的材料配方及制備途徑，利用其協(xié)同效應(yīng)盡可能提高氧化鋁陶 瓷的韌性，是優(yōu)化氧化鋁陶瓷性能的最佳途徑，也是目前陶瓷材料強(qiáng)韌化領(lǐng)域的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用納米顆粒、二氧化鋯相變、SiC晶須等協(xié)同作用來提高氧化鋁陶瓷韌性的材料組成及其制備方法。 本發(fā)明提出的協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷，其原材料的重量份數(shù)組成為硅的化合物0.01 5份
鋯的化合物0.05 20份
釔的化合物0.01 2份
SiC晶須0..01 5份
氧化鋁粉體75 95份上述的硅的化合物為硅溶膠和正硅酸乙酯中的至少一種；所述的鋯的化合物為硝 酸鋯、醋酸鋯和氯化鋯中的至少一種；所述的釔的化合物為硝酸釔、醋酸釔和氯化釔中的至 少一種。本發(fā)明提出的協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷的制備方法，包括下述步驟(1)將硅的化合物、鋯的化合物、釔的化合物溶解于水或無水乙醇中，混合攪拌均 勻，同時加入適量的PH值調(diào)節(jié)劑將混合溶液的pH值調(diào)至4. 5 7. 5 ；(2)將SiC晶須與氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，然后放入球磨罐中進(jìn)行球 磨；(3)將上述球磨后的混合物置于80°C 120°C進(jìn)行干燥，然后在800°C 1200°C進(jìn) 行煅燒，得到白色的陶瓷粉體；(4)向上述陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合后進(jìn)行造粒、成型、 排膠，然后在1600°C 1700°C進(jìn)行燒結(jié)，獲得的協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷。上述的PH值調(diào)節(jié)劑為硝酸、醋酸或者氨水。本發(fā)明制備工藝簡單，通過對混合溶液pH值的調(diào)節(jié)，促使硅的化合物發(fā)生凝膠化 轉(zhuǎn)變，使得硅、鋯、釔的化合物在分子級水平混合后均勻包覆在氧化鋁粉體顆粒的表面，從 而實現(xiàn)陶瓷中各組分的均勻分布；在800°C 1200°C進(jìn)行煅燒后，將獲得納米級的Si02、 ZrO2, Y2O3粉體，在陶瓷成型過程中可以填補(bǔ)氧化鋁粉體顆粒的間隙，促進(jìn)陶瓷素坯密度的 提高。發(fā)明的協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷利用納米SiO2顆粒、二氧化鋯相變、SiC晶須等的協(xié)同作 用，有效提高陶瓷的韌性。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實施例1 稱取1份硅溶膠溶解于去離子水中形成0. 2mol/l的溶液，稱取10份硝酸鋯溶解 于無水乙醇中形成0. 2mol/l的溶液，稱取0. 5份硝酸釔溶解于無水乙醇中形成0. 2mol/l 的溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然后加入5ml濃度為10%的硝酸將混合溶液的pH 值調(diào)至5. 0。將0. 5份SiC晶須與88份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中 進(jìn)行球磨；將上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在1100°C煅燒，得到 白色的陶瓷粉體。向上述陶瓷粉體中添加8份聚乙烯醇水溶液，充分混合后進(jìn)行造粒，然后 在120Mpa的壓力下成型，排膠后在1650°C保溫2小時對陶瓷進(jìn)行燒結(jié)。測試陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎曲強(qiáng)度為821. 62MPa，斷裂韌性為7. ISMPa · m1/20實施例2
稱取0. 5份正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中形成0. 2mol/l的溶液，稱取20份醋 酸鋯溶解于去離子水中形成0. 5mol/l的溶液，稱取1.2份醋酸釔溶解于無水乙醇中形成 0. 8mol/l的溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然后加入80ml醋酸將混合溶液的pH值 調(diào)至6. 0。將1份SiC晶須與77份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中進(jìn)行 球磨；將上述球磨后的混合物置于95°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在1150°C煅燒，得到白色 的陶瓷粉體。向上述陶瓷粉體中添加9份聚乙烯醇水溶液，充分混合后進(jìn)行造粒，然后在 120Mpa的壓力下成型，排膠后在1650°C保溫2小時對陶瓷進(jìn)行燒結(jié)。測試陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎曲強(qiáng)度為906. 21MPa，斷裂韌性為9. 03MPa · m1/20實施例3 稱取2份硅溶膠溶解于去離子水中形成0. 5mol/l的溶液，稱取15份氯化鋯溶解 于無水乙醇中形成0. 5mol/l的溶液，稱取1份氯化釔溶解于去離子水中形成0. 2mol/l的 溶液；將上述三種溶液混合攪拌均勻，然后加入80ml醋酸將混合溶液的pH值調(diào)至5. 5。將2 份SiC晶須與80份氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，放入球磨罐中進(jìn)行球磨；將上述球 磨后的混合物置于85°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在1200°C煅燒，得到白色的陶瓷粉體。向 上述陶瓷粉體中添加8. 5份聚乙烯醇水溶液，充分混合后進(jìn)行造粒，然后在120Mpa的壓力 下成型，排膠后在1650°C保溫2小時對陶瓷進(jìn)行燒結(jié)。測試陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎曲強(qiáng)度為895. 43MPa，斷裂韌性為8. 67MPa · m1/20
權(quán)利要求
一種協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷，其特征在于原材料的重量份數(shù)組成為硅的化合物0.01～5份鋯的化合物0.05～20份釔的化合物0.01～2份SiC晶須 0.01～5份氧化鋁粉體75～95份上述的硅的化合物為硅溶膠和正硅酸乙酯中的至少一種；所述的鋯的化合物為硝酸鋯、醋酸鋯和氯化鋯中的至少一種；所述的釔的化合物為硝酸釔、醋酸釔和氯化釔中的至少一種。
2.制備協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷的方法，其特征在于包括下述步驟(1)將硅的化合物、鋯的化合物、釔的化合物溶解于水或無水乙醇中，混合攪拌均勻，同 時加入適量的PH值調(diào)節(jié)劑將混合溶液的pH值調(diào)至4. 5 7. 5 ；(2)將SiC晶須與氧化鋁粉體加入到上述混合溶液中，然后放入球磨罐中進(jìn)行球磨；(3)將上述球磨后的混合物置于80°C 120°C進(jìn)行干燥，然后在800°C 1200°C進(jìn)行煅 燒，得到白色的陶瓷粉體；(4)向上述陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合后進(jìn)行造粒、成型、排膠， 然后在1600°C 1700°C進(jìn)行燒結(jié)，獲得協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷的方法，其特征在于所述的pH值調(diào) 節(jié)劑為硝酸、醋酸或者氨水。
全文摘要
本發(fā)明涉及協(xié)同增韌氧化鋁陶瓷及其制備方法，該氧化鋁陶瓷由硅、鋯、釔的化合物以及SiC晶須和氧化鋁粉體組成，其制備過程是先將硅、鋯、釔的化合物溶解于水或無水乙醇中形成混合溶液，同時調(diào)節(jié)pH值至4.5～7.5，然后加入SiC晶須與氧化鋁粉體并球磨，干燥后進(jìn)行煅燒獲得陶瓷粉體；向上述陶瓷粉體中添加粘合劑，然后進(jìn)行造粒、壓片、排膠，再燒結(jié)成陶瓷。該方法工藝簡單，通過pH值的調(diào)節(jié)來控制硅化合物的凝膠化轉(zhuǎn)變，使得硅鋯釔的化合物均勻包覆在氧化鋁粉體表面，并在煅燒過程中生成納米級的顆粒，在利用細(xì)小顆粒填補(bǔ)氧化鋁粉體間隙的同時，利用納米效應(yīng)、二氧化鋯相變、SiC晶須補(bǔ)強(qiáng)等的協(xié)同作用，有效提高氧化鋁陶瓷的韌性。
文檔編號C04B35/81GK101948325SQ20101028155
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者馬紅萍 申請人:浙江科技學(xué)院