一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法。利用共沉淀法，在弱堿性條件下，采用水為溶劑，在較低溫度下一步合成具有特定尺寸分布的納米級和亞微米級的混合顆粒；通過在體系中添加分級沉淀劑用量調(diào)控亞微米顆粒和納米顆粒的比例，將沉淀物烘干和煅燒可獲得高結(jié)晶度顆粒級配的氧化鋯粉體。再加入燒結(jié)助劑，經(jīng)混合，干燥，干壓后1400~1700℃燒結(jié)得到致密的氧化鋯陶瓷。本發(fā)明適用于超細(xì)粉體的顆粒級配，得到緊密堆積，提高素坯密度，減少燒結(jié)的收縮，改善生產(chǎn)工藝。該發(fā)明制備的粉體可用于制備高致密度氧化鋯領(lǐng)域。
【專利說明】
一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，具體說是一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備方法及陶瓷燒結(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋯是一種重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，具有高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大、耐磨性好、抗腐蝕性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域與高端的功能陶瓷行業(yè)都有者廣泛應(yīng)用，如陶瓷顏料、工程陶瓷、光纖插件、壓電元件、離子交換器以及固體電解質(zhì)等。實際應(yīng)用時因為氧化鋯存在多種晶型轉(zhuǎn)變，容易出現(xiàn)體積膨脹或收縮，導(dǎo)致樣件出現(xiàn)開裂、剝落從而影響其應(yīng)用，通常會在氧化鋯中摻雜一定量的穩(wěn)定添加劑(如Ca0、Mg0、Y2O3和其它稀土氧化物)，使其形成置換型固溶體，降低相變點(diǎn)，在室溫到高溫維持部分或全穩(wěn)的四方或立方相。
[0003]氧化鋯材料通常以氧化鋯粉體為原料制得，單組份陶瓷燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)和性能依賴于素坯的顯微結(jié)構(gòu)，而這是由粉體性質(zhì)和成型工藝所決定的。就粉體性質(zhì)而言，除粉體的平均粒徑、顆粒團(tuán)聚狀態(tài)外，顆粒尺寸的分布也是影響其成型非常重要的參數(shù)之一。對顆粒級配與堆積密度關(guān)系的研究多有報道，兩種粒徑分別為亞微米級和納米級時，可獲得高素坯密度。通過適合的顆粒級配，獲得緊密堆積，提高素坯密度，不僅可以減少燒成時的收縮，簡化和改善生產(chǎn)工藝，而且可改善素坯的顯微結(jié)構(gòu)，主要是氣孔分布，從而影響到坯體的燒結(jié)行為。比較常見的顆粒級配法是通過將兩種不同尺寸的顆粒進(jìn)行人為混合，這種方法的缺點(diǎn)是:其一，混合均勻性不足;其二，在混合過程中容易帶入雜質(zhì)。其三，額外的工藝步驟，降低生產(chǎn)效率。
[0004]本發(fā)明提供了一種在制粉過程中直接獲得精準(zhǔn)的兩種顆粒匹配混合的方法，通過同時引入性能不同的分級沉淀劑，控制溶液中Zr4+離子的沉淀速度，使一部分相對沉淀速度快，顆粒較大，另一部分則反之。這種方法可一次精準(zhǔn)獲得存在兩種不同粒徑分布的級配粉體，這種方法的素坯密度高，從而可提升生產(chǎn)效率和混合均勻性，避免二次污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法。利用共沉淀法，在弱堿性條件下，采用水為溶劑，在較低溫度下一步合成具有特定尺寸的納米級和亞微米級的混合顆粒;通過在體系中調(diào)節(jié)分級沉淀劑用量調(diào)控亞微米顆粒和納米顆粒的比例，將沉淀物烘干和煅燒可獲得高結(jié)晶度顆粒級配的氧化鋯粉體。再加入燒結(jié)助劑，經(jīng)混合、干燥、干壓及冷等靜壓后于1400?1700°C燒結(jié)得到致密的氧化鋯陶瓷。該發(fā)明制備的粉體可用于制備高致密度氧化鋯領(lǐng)域。
[0006]—種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，包括一步法合成特定尺寸的微米級和納米級氧化錯粉體及樣品燒結(jié)，其特征在于:
(I)稱取適量的氧氯化鋯，溶于去離子水，制成濃度為0.1?lmol/1的溶液;進(jìn)而按鋯鹽對釔鹽的摩爾比為1: (3?7)的比例溶入釔鹽，制成鋯源溶液A ；
將兩種分級沉淀劑進(jìn)行混合，加去離子水配成2?8，制成溶液B;
(2)將溶液A和B混合，劇烈攪拌后加入聚乙二醇(PEG)，繼續(xù)攪拌0.5?2小時；
(3)停止攪拌后靜置，取沉淀，用去離子水和無水乙醇離心清洗、過濾、干燥后得到白色粉末，然后在空氣中600?100 °C焙燒4小時。
[0007](4)以水為分散介質(zhì)，加入2%的PVA粘結(jié)劑后球磨2?5小時后，干燥后在150MPa下干壓成型，再冷等靜壓獲得素坯。
[0008](5)最終素坯的燒結(jié)溫度1400?1700°C，保溫5?10小時。
[0009]步驟(2)中所述的溶液A和B的混合步驟為將溶液A緩慢滴入溶液B中。
[0010]步驟(I)中所述的兩種分級沉淀劑為氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀中的一種和碳酸氫銨、碳酸銨、尿素中的一種;分級沉淀劑的摩爾混合配比為6?8:4?2。
[0011]步驟(2)中所述的兩種溶液A和B的混合步驟為將溶液A以20?50毫升/分鐘緩慢加入溶液B中。
[0012]步驟(2)中所述的強(qiáng)烈攪拌，攪拌速度在1000轉(zhuǎn)/分，攪拌時間為I?3小時。
[0013]步驟(2)中所述的聚乙二醇為PEG 200或400中的一種。
[0014]本發(fā)明是在陶瓷燒結(jié)原理充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上，提出了通過同時引入性能不同的分級沉淀劑實現(xiàn)超細(xì)粉體的顆粒級配方法，從而得到緊密堆積，提高素坯密度，減少燒結(jié)的收縮，改善生產(chǎn)工藝。該方法制備簡單，可控性強(qiáng)，可用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的高密度氧化鋯陶瓷。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的實施例1所得粉體樣品的XRD圖譜；
圖2為本發(fā)明的實施例1所得粉體樣品的顆粒分布圖。
【具體實施方式】
[0016]實施例1:
稱取1mmol的氧氯化鋯，溶于20ml去離子水中，按釔鹽和鋯鹽摩爾比3:10的比例加入釔鹽，制得溶液A;
以氨水和碳酸氫銨兩種為沉淀劑，摩爾比為6:4，配制成2mol/l的堿性溶液B;
將溶液A緩慢滴加入溶液B中，以1 O O轉(zhuǎn)/分鐘攪拌I小時，然后加入聚乙二醇(P E G，200)，攪拌0.5小時；
停止攪拌靜止，取沉淀，用去離子水和無水乙醇離心清洗、過濾，干燥得白色粉末，然后粉體在空氣中600 0C焙燒4小時。
[0017]以水為分散介質(zhì)，加入2%的PVA粘結(jié)劑，氧化鋯球:粉=3:1，球磨時間2小時后，干燥。在150MPa下干壓形成后冷等靜壓獲得致密度65%的素坯。
[0018]最終素坯的燒結(jié)溫度1400°C，保溫10小時。
[0019]實施例2:
稱取I Ommo I的氧氯化鋯，溶于I Oml去離子水中，按釔鹽和鋯鹽摩爾比7:10的比例加入釔鹽，制得溶液A;以氫氧化鈉和碳酸銨兩種為沉淀劑，配制成Smol/l的堿性溶液B;將溶液A和B混合，劇烈攪拌，然后加入聚乙二醇(PEG)，攪拌2小時；停止攪拌靜止，取沉淀，用去離子水和無水乙醇離心清洗、過濾，干燥得白色粉末，然后粉體在空氣中1000 °C焙燒4小時。以水為分撒介質(zhì)，加入2%的PVA粘結(jié)劑，氧化鋯球:粉=3:1，球磨時間5小時后，干燥。在150MPa下干壓形成后冷等靜壓獲得70%素坯。最終素坯的燒結(jié)溫度1700°C，保溫5小時。實施例3:稱取1mmol的氧氯化鋯，溶于10ml去離子水中，按釔鹽和鋯鹽摩爾比5:10的比例加入釔鹽，制得溶液A;以氫氧化鉀和尿素兩種為沉淀劑，配制成5mol/l的堿性溶液B;將溶液A和B混合，劇烈攪拌，然后加入聚乙二醇(PEG)，攪拌0.5小時；停止攪拌靜止，取沉淀，用去離子水和無水乙醇離心清洗、過濾，干燥得白色粉末，然后粉體在空氣中800 0C焙燒4小時。以水為分撒介質(zhì)，加入2%的PVA粘結(jié)劑，氧化鋯球:粉=3:1，球磨時間3.5小時后，干燥。在150MPa下干壓形成后冷等靜壓獲得68%素坯。最終素坯的燒結(jié)溫度150(TC，保溫8小時。
【主權(quán)項】
1.一種顆粒級配的氧化錯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，包括一步法合成特定尺寸的微米級和納米級氧化鋯粉體及樣品燒結(jié)，其特征在于: (1)稱取適量的氧氯化鋯，溶于去離子水，制成濃度為0.1?lmol/1的溶液;進(jìn)而按鋯鹽對釔鹽的摩爾比為1: (3?7)的比例溶入釔鹽，制成鋯源溶液A ； 將兩種分級沉淀劑進(jìn)行混合，加去離子水配成2?8，制成溶液B; (2)將溶液A和B混合，劇烈攪拌后加入聚乙二醇(PEG)，繼續(xù)攪拌0.5?2小時； (3)停止攪拌后靜置，取沉淀，用去離子水和無水乙醇離心清洗、過濾、干燥后得到白色粉末，然后在空氣中600?1000 0C焙燒4小時； (4)以水為分散介質(zhì)，加入2%的PVA粘結(jié)劑后球磨2?5小時后，干燥后在150MPa下干壓成型，再冷等靜壓獲得素坯； (5 )最終素坯的燒結(jié)溫度1400?1700 °C，保溫5?1小時。2.按權(quán)利要求1所述一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，其特征在于:步驟(2 )中所述的溶液A和B的混合步驟為將溶液A緩慢滴入溶液B中。3.按權(quán)利要求1所述一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，其特征在于:步驟(I)中所述的兩種分級沉淀劑為氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀中的一種和碳酸氫銨、碳酸銨、尿素中的一種;分級沉淀劑的摩爾混合配比為6?8: 4?2。4.按權(quán)利要求1所述一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的兩種溶液A和B的混合步驟為將溶液A以20?50毫升/分鐘緩慢加入溶液B中。5.按權(quán)利要求1所述一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的強(qiáng)烈攪拌，攪拌速度在1000轉(zhuǎn)/分，攪拌時間為I?3小時。6.按權(quán)利要求1所述一種顆粒級配的氧化鋯粉體制備及陶瓷燒結(jié)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的聚乙二醇為PEG 200或400中的一種。
【文檔編號】C04B35/64GK105967687SQ201610553390
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】何丹農(nóng), 張芳, 林琳, 張春明, 金彩虹
【申請人】上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司