CN101182193A - 一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法，其包括以下具体步骤：工艺为：纳米铝粉及高纯氧化铝粉为初始原料，混合均匀；将混合后的浆料干燥、研磨成粉体；获得的粉体成形为坯体；将坯体直接在普通的空气烧结炉中烧结，得到陶瓷材料。优点在于，可以制备出具有原位生长长柱状、板状晶的氧化铝陶瓷；这种工艺既有望保留传统纤维和晶须明显的增韧补强效果，同时将直接解决纤维、晶须以及碳纳米管在使用工艺上带来的困难。还具备不需要添加SiO₂、TiO₂、La₂O₃、CAS(CaO－Al₂O₃－SiO₂)等无定型态的助剂，最终的氧化铝产品只含有单一的氧化铝相，具有高密度、高纯度和高韧性的优点。

Description

一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及属陶瓷材料制备技术领域，特别是提供了一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷材料具有优良的力学性能和电性能，并且制造成本低，是目前应用最广泛的一种先进陶瓷材料。采用高纯亚微米级氧化铝超细粉已可制备出抗弯强度高达700～1000Mpa的氧化铝精密陶瓷材料。然而这种材料的断裂韧性非常低，通常只有3～4Mpa·m^1/2。因此提高氧化铝陶瓷的断裂韧性一直是陶瓷材料工作者期待和努力的目标。

陶瓷增韧一般有四种方法：弥散增韧、相变增韧，纤维和晶须韧化以及最近发展起来的碳纳米管增韧。其中弥散增韧效果非常有限；而氧化锆陶瓷相变增韧虽然能使材料的断裂韧性提高2～3倍，但相变增韧的效果随着温度的升高而急剧下降；碳纳米管由于在批量生产、分散以及后续的烧结过程中易产生结构的破坏，而且合成工艺复杂，价格昂贵，应用受到限制。明显的韧化效果和良好的高温性能使得采用纤维和晶须韧化成为陶瓷增韧的首选和研究重点。

纤维和晶须由于其本身优异的力学性能以及他们产生的裂纹偏转、裂纹桥接和晶须拔出等增韧效应，因此通过纤维或晶须增韧的陶瓷复合材料的室温和高温抗弯强度和断裂韧性、热震性、耐磨性能以及蠕变性能都得到了不同程度的提高和改善。但到目前为止，绝大部分的工作是采用外添加纤维和晶须到陶瓷基体中来增韧陶瓷材料，这就不可避免的带来一些问题：

1)首先面临一个非常突出的困难是外加纤维或者晶须的均匀分散；

2)热膨胀不匹配导致第二相与基质界面处成为初始裂纹发源地；

原位生长长柱状或板状(类晶须增韧)的自增韧氧化铝陶瓷直接免除上述使用外加纤维或晶须所带来的困难，成为提高陶瓷断裂韧性的一个途径。以往的研究主要是通过外加助剂(如：SiO₂、TiO₂、La₂O₃、CAS(CaO-Al₂O₃-SiO₂))产生晶粒异向生长来提高氧化铝陶瓷韧性。但第二相的引入，会使得它们与氧化铝基体难以达到相互吻合，从而在烧成后的瓷体中形成缺陷(如晶间玻璃相)，使瓷体的强度降低。此外，第二相的存在还会影响到氧化铝瓷体的烧结过程，结果难以获得高致密化的氧化铝瓷体。同时，第二相的添加还可能使材料的晶相组成发生变化。本发明使氧化铝陶瓷原位生长出长柱状、板状晶粒，且最终的烧结体产品不含有第二相，得到高纯、高密度、高韧性的氧化铝陶瓷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法，制备出具有原位生长长柱状、板状晶的单相氧化铝陶瓷。实现了设备和工艺简单可控，所制备陶瓷产品由含有长柱状、板状晶的氧化铝组成，解决了传统工艺上纤维和晶须以及碳纳米管在使用上带来的困难(如分散和成本高)，以及因引入助剂所造成的陶瓷产品中的一些缺陷，为氧化铝陶瓷增韧提供一种新的思路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：原位生长出长柱状、板状晶单相氧化铝陶瓷，其制备方法包括以下具体步骤：

1、纳米铝粉及高纯氧化铝粉为初始原料，纳米铝粉与氧化铝粉的质量分数比例为1∶10000～1∶3000；用纯度为99％的氧化铝磨球，在酒精介质中添加分散剂，用高能球磨机混合均匀；所述的分散剂为聚乙二醇，加入量为氧化铝粉质量分数的0.5‰～1％.

2、将混合后的浆料干燥、研磨成粉体；

3、获得的粉体可用各种成形方法，如干压、等静压、凝胶注模、注浆、注射等成型方法成型；

4、将坯体直接在普通的空气烧结炉中烧结。烧结温度为1300℃～1700℃，保温时间为1～10小时，即得本发明的陶瓷材料。

烧结过程中熔融的铝在氧化铝的不同晶面择优分布，诱导氧化铝晶粒异形生长成长柱状或板状晶粒，得到同时具有长柱状、板状和等轴状晶的双峰结构的氧化铝显微结构，这种显微结构赋予氧化铝陶瓷高的断裂韧性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明可以制备出含原位生长长柱状、板状晶的氧化铝陶瓷；

2、这种新工艺既有望保留传统纤维和晶须明显的增韧补强效果，同时将直接解决纤维、晶须以及碳纳米管在使用工艺上带来的困难(如分散和成本)；

3、本发明不需要添加SiO₂、TiO₂、La₂O₃、CAS(CaO-Al₂O₃-SiO₂)等无定型态的助剂，最终的氧化铝产品只含有单一的氧化铝相，具有高纯度、高密度、高韧性的优点。

本发明首次制备出了具有原位生长的长柱状和板状晶的高纯、高密度、高韧性的氧化铝陶瓷，设备和工艺简单可控。与传统制备高韧性氧化铝陶瓷的技术相比，本发明可以实现异形氧化铝晶粒的原位生长，保留传统纤维和晶须明显的增韧补强效果的同时，解决传统工艺上纤维、晶须、碳纳米管在使用上带来的困难(如分散和成本高)以及因添加SiO₂、TiO₂、La₂O₃、CAS(CaO-Al₂O₃-SiO₂)等第二相而引入缺陷等问题。

附图说明

图1为本发明实施例一所制备的单相、高纯、高密度的氧化铝陶瓷的扫描电镜(SEM)图。

图2为本发明实施例二所制备的单相、高纯、高密度的氧化铝陶瓷的扫描电镜(SEM)图。

图3为本发明实施例三所制备的单相、高纯、高密度的氧化铝陶瓷的扫描电镜(SEM)图。

图4为本发明实施例三所制备的单相、高纯、高密度的氧化铝陶瓷的X-射线衍射(XRD)图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

称取初始原料40g Al₂O₃和0.004g Al粉装入尼龙树脂球磨罐中，用纯度为99％的氧化铝磨球，添加氧化铝粉质量分数1‰的聚乙二醇及250mL酒精，高能球磨机中进行湿法球磨8小时。将高能球磨后的混合物装入99氧化铝陶瓷坩锅中，于50℃烘箱中干燥得到混合均匀的粉体，用各种成形方法成型，在普通的烧结炉、空气气氛下于1550℃烧结2小时，得到具有原位生长长柱状、板状晶单相氧化铝陶瓷，其典型结构如图1所示。由图1可知，所制备的氧化铝陶瓷体晶粒已出现长径比大于2的板状晶或长柱状晶。

实施例2

称取初始原料40g Al₂O₃和0.02g Al粉装入尼龙树脂球磨罐中，用纯度为99％的氧化铝磨球，添加氧化铝粉质量分数5‰的聚乙二醇及250mL酒精，高能球磨机中进行湿法球磨10小时。将高能球磨后的混合物装入99氧化铝陶瓷坩锅中，于50℃烘箱中干燥得到混合均匀的粉体，用冷等静压成型，在普通的烧结炉、空气气氛下于1580℃烧结2小时，得到具有原位生长长柱状、板状晶单相氧化铝陶瓷，其典型结构如图2所示。由图2可知，出现较大面积的长柱状和如箭头所示的板状晶，这些异形生长的晶粒形成一定程度的互穿网络结构，最长的晶粒长径比大于5，小晶粒也呈现出伸长的趋势。

实施例3

称取初始原料40g Al₂O₃和0.04g Al粉装入尼龙树脂球磨罐中，用纯度为99％的氧化铝磨球，添加氧化铝粉质量分数1％的聚乙二醇及250mL酒精，高能球磨机中进行湿法球磨12小时。将高能球磨后的混合物装入99氧化铝陶瓷坩锅中，于50℃烘箱中干燥得到混合均匀的粉体，用注射成型方法成型，在普通的烧结炉、空气气氛下于1560℃烧结3小时，得到具有原位生长长柱状、板状晶单相氧化铝陶瓷，其典型结构如图3所示。由图3可知，出现较大面积的长柱状、板状晶，如箭头所示，这些异形生长的晶粒形成一定程度的互穿网络结构，最长的晶粒长径比大于5，小晶粒也呈现出伸长的趋势。图4为所制备的氧化铝陶瓷的XRD图谱，表明制备的氧化铝陶瓷为纯的α-Al₂O₃。

Claims (5)

1.一种原位自增韧氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，工艺为：

(1)纳米铝粉及高纯氧化铝粉为初始原料，混合均匀，纳米铝粉与氧化铝粉的质量分数比例为1∶10000～1∶3000；

(2)将混合后的浆料干燥、研磨成粉体；

(3)获得的粉体成形为坯体；

(4)将坯体直接在烧结炉中烧结，得到陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于：粉体的成形方法为干压、等静压、凝胶注模、注浆或注射成型。

3.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于：烧结温度为1300℃～1700℃，保温时间为1～10小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：混合均匀的方式采用球磨，用纯度为99％的氧化铝磨球；在酒精介质中添加分散剂，用高能球磨机混合均匀。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的分散剂为聚乙二醇，加入量为氧化铝粉质量分数的0.5‰～1％.

Images