CN101172845A

CN101172845A - 一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法

Info

Publication number: CN101172845A
Application number: CNA2007101444052A
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 王铀
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-09-30
Filing date: 2007-09-30
Publication date: 2008-05-07

Abstract

一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，它属于高性能陶瓷制造技术领域。本发明解决了精细陶瓷材料制备过程中烧结温度高、时间长、能耗高、陶瓷素坯致密度低的问题，及在精细陶瓷原料粉(尤其是纳米级粉体)再造粒过程中抑制晶粒长大的难题。其方法步骤是在球磨机中用去离子水做介质将精细氧化铝和氧化钛粉体、粘结剂聚乙烯醇混合成均匀浆料；然后喷雾干燥再造粒；随后对所得粉体进行热处理；热处理粉体进行预压成型；坯料进行冷等静压成型后烧结。本发明方法在精细陶瓷原料粉(尤其是纳米级粉体)再造粒过程中有效的抑制了晶粒的长大。本发明的方法烧结温度低、生产成本低、简单易行，且应用前景广阔。本发明的产品的致密度达98％以上。

Description

一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法

技术领域

本发明属于高性能陶瓷领域，具体涉及到一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的发展，对材料的性能要求也越来越高。精细陶瓷材料是现代材料科学的一个重要组成部分，极具广阔的商业化应用前景。

目前广泛采用的制备高性能精细陶瓷的工艺路线方法为：精细陶瓷原料粉体→粉体混合→成型→烧结。过程中陶瓷粉料一般希望越细越好，有利于高温烧结，可降低烧结温度。但在成形时却不然，尤其对于干压成形，粉料的颗粒度越细，流动性反而不好，不能充满模具，易产生空洞，导致生坯致密度不高。因此在成形之前要进行喷雾造粒，但对精细陶瓷粉体的再造粒过程中，要抑制精细陶瓷粉粒(尤其是纳米级粉粒)长大是一难解决的问题。

氧化铝陶瓷是陶瓷材料中最重要最广泛应用的一类陶瓷。将纳米尺度的氧化铝和氧化钛粉末再造粒成为纳米结构的氧化铝/氧化钛复合氧化物粉末并用于制备纳米结构涂层，已经得到成功应用并显示出了优越的性能。然而，块体复相陶瓷材料却还没有得到应用，且研究较少，因此，有必要研究开发先进的氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决精细陶瓷材料制备过程中烧结温度高、时间长、能耗高、陶瓷素坯致密度低的缺点，及在精细陶瓷原料粉(尤其是纳米级粉体)再造粒过程中抑制晶粒长大的难题；而提供了一种制备精细氧化铝/氧化钛复相精细陶瓷材料的方法。本发明实现了精细陶瓷材料制备过程中陶瓷的低温快速烧结，明显降低生产成本；解决了精细陶瓷原料粉(尤其是纳米级粉体)再造粒过程中的晶粒长大问题以及陶瓷素坯致密度低的问题。

本发明制备精细氧化铝/氧化钛复相精细陶瓷材料方法的步骤如下：一、将混合粉体、去离子水、粘结剂聚乙烯醇(PVA)和磨球按1∶0.4～0.6∶0.01～0.015∶3～5的质量比放到球磨机中，以1000～1200rpm转速混合4～10h，所述的混合粉体按质量百分比由50～99％的纳米氧化铝和1～50％的纳米氧化钛组成；二、将步骤一混合后所得浆料进行喷雾干燥再造粒，得到粒径为20～80μm粉体，喷雾干燥机工作时进口温度为210～240℃，喷雾干燥机出口温度为100～120℃，喷雾干燥机喷嘴转速30000～36000r/min；三、将再造粒后的粉体装入氧化铝坩埚，放入电阻炉中，进行热处理，热处理的过程如下：热处理过程中的升温速率为8～12℃/min；先升温达590～610℃，保温50～70min；再升温达1100～1300℃，保温50～70min；然后随炉冷却至室温；四、将热处理后粉体放入的模具中，在70～80MPa压力下进行预压成型，保压3～4min；五、将预压成型后的块状体放入橡胶模具中，排除气体并进行封装，再放入冷等静压机，在260MPa压力下成型，保压3～4min；六、将冷等静压后所得坯料放入电阻炉，进行无压烧结，在1400～1450℃条件下烧结60～80min，然后随炉冷却至室温。

本发明采用喷雾干燥造粒制备出质量均一、重复性良好的球形粉料，缩短粉料的制备时间，有利于大规模、自动化、连续化生产先进陶瓷粉料；通过热处理可以排除混合粉体中的水分及大部分粘结剂，避免烧结时水分及粘结剂的挥发致使陶瓷体产生孔洞及裂纹，且热处理可以提高混合粉体的致密度等利于成型的物理性能，如热处理前粉体松装密度为1.12g/cm³、振实密度为1.26g/cm³，热处理后粉体松装密度为2.13g/cm³、振实密度为2.50g/cm³；对于初始粉料中为亚稳相的粉体来说，对粉体进行热处理，可使亚稳相转化成稳定相，从而防止在烧结时发生相变造成烧结体体积变化等影响材料的致密化，且降低了烧结温度，减少了生产成本。本发明方法在精细陶瓷原料粉(尤其是纳米级粉体)再造粒过程中有效的抑制了晶粒的长大。本发明的方法还可以用于制备二氧化锆、氮化硅、碳化硅和赛隆等先进陶瓷材料。本发明制造方法简单易行，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是具体实施方式一的步骤三中热处理后的纳米结构陶瓷粉体表面形貌照片，图2是图1的5万倍放大的照片，图3是具体实施方式一的步骤三中热处理后的纳米结构陶瓷粉体截面形貌照片，图4是图3的1万倍放大的照片，图5是具体实施方式一的步骤三中热处理后氧化铝/氧化钛粉体的XRD谱图，图6是具体实施方式一的步骤六中氧化铝/氧化钛陶瓷在1450℃保温烧结1h的XRD谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷的方法，按以下步骤实施：一、将混合粉体、去离子水、粘结剂聚乙烯醇(PVA)和磨球按1∶0.4～0.6∶0.01～0.015∶3～5的质量比放到球磨机中，以1000～1200rpm转速混合4～10h，所述的混合粉体按质量百分比由50～99％的纳米氧化铝和1～50％的纳米氧化钛组成；二、将步骤一混合后所得浆料进行喷雾干燥再造粒，得到粒径为20～80μm粉体，喷雾干燥机工作时进口温度为210～240℃，喷雾干燥机出口温度为100～120℃，喷雾干燥机喷嘴转速35000～37000r/min；三、将再造粒后的粉体装入氧化铝坩埚，放入电阻炉中，进行热处理，热处理的过程如下：热处理过程中的升温速率为8～12℃/min；先升温达590～610℃，保温50～70min；再升温达1100～1300℃，保温50～70min；然后随炉冷却至室温；四、将热处理后粉体放入的模具中，在70～80MPa压力下进行预压成型，保压3～4min；五、将预压成型后的块状体放入橡胶模具中，排除气体并进行封装，再放入冷等静压机，在260MPa压力下成型，保压3～4min；六、将冷等静压后所得坯料放入电阻炉，进行无压烧结，在1400～1450℃条件下烧结50～60min，然后随炉冷却至室温。

本实施方式经步骤三的热处理后所得纳米结构粉体表面形貌由图1和图2中可以看出粉体成球型，且球形粉体颗粒由大量细小的纳米颗粒组成；热处理后所得纳米结构粉体截面形貌由图3和图4可以看出粉体内部较致密；热处理后粉体的物相分析由图5可知Al₂O₃全部转变为刚玉相，同时TiO₂全部转变为稳定的金红石相，有利于随后陶瓷的烧结致密化；在步骤五中对冷等静压后所得坯体进行密度测定，氧化铝/氧化钛陶瓷素坯的致密度为48.3％，可见冷等静压后的素坯致密度高；在步骤六中对无压烧结后所得块体进行密度测定，氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷块体的致密度为98％，由图6的物相分析谱图可知成品块体由稳定相刚玉相和金红石相组成。

本实施方式在步骤一中所用磨球机为无锡市海波干燥机械设备厂生产的AX5型搅拌球磨机；在步骤二中所用喷雾干燥机为常州市强力干燥设备有限公司生产的LPG型高速离心喷雾干燥机；在步骤三和六中所用电阻炉为上海崇明实验仪器厂生产的SX-8-16高温箱式电阻炉；在步骤四中进行预压成型的机器为YBO4-5型手动压力机；在步骤五中所用的冷等静压机为中国航空工业川西机器厂的LDJ200/1000-300型冷等静压机。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由60～99％的纳米氧化铝和1～40％的纳米氧化钛组成。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由70～97％的纳米氧化铝和3～30％的纳米氧化钛组成。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由87％的纳米氧化铝和13％的纳米氧化钛组成。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中物料配比为混合粉体、去离子水、粘结剂聚乙烯醇和磨球的质量比为1∶0.5∶0.01∶3。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中磨球为直径3～5mm的Al₂O₃材质磨球。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是在步骤一所用磨球直径是4mm。其它反应与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中球磨机转速为1200rpm，工作时间为4h。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤二中喷雾干燥机再造粒工作时进口温度为230℃，喷雾干燥机出口温度为110℃，喷雾干燥机喷嘴转速36000r/min。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤二中经喷雾干燥再造粒后的粉体平均粒径是50μm，其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤三中热处理过程中的升温速率为10℃/min；先升温至600℃，保温60min；再升温达1200℃，保温60min，然后随炉冷却至室温。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤四中是将热处理后的粉体放入内直径为55mm的模具中。其它反应与具体实施方式一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤四中预压成型压力为75MPa。其它反应与具体实施方式一相同。

Claims

1.一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷的方法，其特征在于该方法的步骤如下：一、将混合粉体、去离子水、粘结剂聚乙烯醇和磨球按1∶0.4～0.6∶0.01～0.015∶3～5的质量比放到球磨机中，以1000～1200rpm转速混合4～10h，所述的混合粉体按质量百分比由50～99％的纳米氧化铝和1～50％的纳米氧化钛组成；二、将步骤一混合后所得浆料进行喷雾干燥再造粒，得到粒径为20～80μm粉体，喷雾干燥机工作时进口温度为210～240℃，喷雾干燥机出口温度为100～120℃，喷雾干燥机喷嘴转速30000～36000r/min；三、将再造粒后的粉体装入氧化铝坩埚，放入电阻炉中，进行热处理，热处理的过程如下：热处理过程中的升温速率为8～12℃/min；先升温达590～610℃，保温50～70min；再升温达1100～1300℃，保温50～70min；然后随炉冷却至室温；四、将热处理后粉体放入的模具中，在70～80MPa压力下进行预压成型，保压3～4min；五、将预压成型后的块状体放入橡胶模具中，排除气体并进行封装，再放入冷等静压机，在260MPa压力下成型，保压3～4min；六、将冷等静压后所得坯料放入电阻炉，进行无压烧结，在1400～1450℃条件下烧结60～80min，然后随炉冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由60～99％的纳米氧化铝和1～40％的纳米氧化钛组成。

3.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由70～97％的纳米氧化铝和3～30％的纳米氧化钛组成。

4.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤一中所述的混合粉体按质量百分比由87％的纳米氧化铝和13％的纳米氧化钛组成。

5.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤一中混合粉体、去离子水、粘结剂聚乙烯醇和磨球的质量比为1∶0.5∶0.01∶3。

6.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤一中球磨机转速为1200rpm，工作时间为4h。

7.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤二中喷雾干燥机再造粒工作时进口温度为230℃，喷雾干燥机出口温度为110℃，喷雾干燥机喷嘴转速36000r/min。

8.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤二中经喷雾干燥再造粒后的粉体平均粒径是50μm。

9.根据权利要求1所述的一种氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤三中热处理过程中的升温速率为10℃/min；先升温至600℃，保温60min；再升温至1200℃，保温60min；然后随炉冷却至室温。

10.根据权利要求1所述的一种制备氧化铝/氧化钛系复相精细陶瓷材料的方法，其特征在于步骤四中预压成型压力为75MPa。