CN101343174A

CN101343174A - 一种氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101343174A
Application number: CNA2008101369696A
Authority: CN
Inventors: 王铀; 杨勇; 赵玥
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2009-01-14

Abstract

一种氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料及其制备方法，它涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法。它解决了现有氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的制备工艺复杂、烧结温度高、耗时长、产品致密度低、性能差及钛酸铝易分解的问题。本发明氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料由混合粉体、去离子水和粘结剂制成，其中混合粉体由纳米氧化铝和纳米氧化钛组成。方法：一、称取原料，混合后得浆料；二、浆料进行再造粒，得纳米复合粉体；三、纳米复合粉体进行热处理；四、热处理后所得纳米复合粉体保温烧结后即得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料。本发明工艺简单、烧结温度低、耗时短，产品中钛酸铝相未分解、致密度高及性能好。

Description

一种氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，特别是能源、空间技术的发展，对材料性能的要求也越来越高。而氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料因具有耐磨损、抗腐蚀、抗氧化的特点，已广泛的应用于陶瓷材料领域，但是现有氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的制备工艺复杂，因其是通过微米级的氧化铝和氧化钛粉体间的固态反应而制得的，所使用的烧结温度高达1500～1700℃，导致耗时长(大于1小时)，得到的产品致密度低(小于95％)、性能差，表现在抗热震性和隔热性差、断裂韧性小于3.8MPa·m^1/2、弯曲强度小于350MPa、维氏硬度小于15GPa、弹性模量小于300GPa。另外，在制备氧化铝/钛酸铝陶瓷过程中，当温度降到800～1280℃范围内时，钛酸铝会分解为氧化铝和氧化钛，从而失去钛酸铝相应有的优异性能。

发明内容

本发明目的是为了解决现有氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的制备工艺复杂、烧结温度高、耗时长、产品致密度低、性能差及钛酸铝易分解的问题，而提供一种氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料及其制备方法。

氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料按质量份数比由1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂制成；其中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；粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂，然后以1000～1200r/min转速球磨混合4～10h，得浆料；二、将浆料进行喷雾干燥再造粒，得粒径为10～90μm的纳米复合粉体，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、将纳米复合粉体装入氧化铝坩埚，以8～12℃/min的升温速率升温至590～610℃，并保温热处理50～70min，再升温至1100～1300℃，热处理50～70min后随炉冷却至室温；四、热处理后所得纳米复合粉体装入石墨模具，置于放电等离子烧结炉中，以100～600℃/min的升温速率升温至1200～1270℃，在10～80MPa的压力下保温3～15min后随炉冷却至室温，得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料；其中步骤一中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；步骤一中粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

应用本发明方法，可原位生成钛酸铝相，钛酸铝不分解，所得复合材料组织均匀，从而提高了氧化铝陶瓷的韧性、耐磨性和热机械性能，适合作为热障涂层、柴油机排气过滤装置和高温陶瓷基体。

本发明中制备工艺简单，烧结温度仅为1200～1270℃，节约能耗，所得产品的性能优异，如致密度高达99.3％、断裂韧性为4.83～4.91MPa·m^1/2、弯曲强度为397.6～455.0MPa、维氏硬度为16.1～17.3GPa、弹性模量高达310.9～331.5GPa。

附图说明

图1为具体实施方式十七中所得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的XRD图谱，其中●表示氧化铝，◇表示钛酸铝；图2为具体实施方式十七中所得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的断口形貌扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料按质量份数比由1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂制成；其中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；粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料按质量份数比由1份混合粉体、0.7份去离子水和0.012份粘结剂制成。其它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或二不同的是：混合粉体按质量百分比由60％～97％的纳米氧化铝和3％～40％的纳米氧化钛组成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：混合粉体按质量百分比由70％～95％的纳米氧化铝和5％～30％的纳米氧化钛组成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：于混合粉体按质量百分比由75％～90％的纳米氧化铝和10％～25％的纳米氧化钛组成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：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。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：混合粉体按质量百分比由60％的纳米氧化铝和40％的纳米氧化钛组成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式八：本实施方式制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂，然后以1000～1200r/min转速球磨混合4～10h，得浆料；二、将浆料进行喷雾干燥再造粒，得粒径为10～90μm的纳米复合粉体，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、将纳米复合粉体装入氧化铝坩埚，以8～12℃/min的升温速率升温至590～610℃，并保温热处理50～70min，再升温至1100～1300℃，热处理50～70min后随炉冷却至室温；四、热处理后所得纳米复合粉体装入石墨模具，置于放电等离子烧结炉中，以100～600℃/min的升温速率升温至1200～1270℃，在10～80MPa的压力下保温3～15min后随炉冷却至室温，得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料；其中步骤一中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；粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤一中按质量份数比称取1份混合粉体、0.7份去离子水和0.012份粘结剂，然后以1100r/min转速球磨混合6h。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤一中球磨混合中所用球料质量比为3～5∶1，磨球为直径3～10mm的氧化铝磨球。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤一中球磨混合中所用磨球与混合粉体的质量份数比为4∶1，磨球为直径6mm的氧化铝磨球。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二中喷雾干燥机工作时进口温度为220℃，喷雾干燥机出口温度为110℃，喷雾干燥机喷嘴转速33000r/min。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二中喷雾干燥再造粒的粒径为30～60μm。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤三中以10℃/min的升温速率升温至600℃，热处理60min，再升温至1200℃，热处理60min。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤四中以200～400℃/min的升温速率升温至1220～1260℃，在20～60MPa的压力下保温4～12min。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤四中以300℃/min的升温速率升温至1250℃，在30MPa的压力下保温10min。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十七：本实施方式制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取1份混合粉体、0.7份去离子水和0.012份聚乙烯醇，然后以1100r/min转速球磨混合6h，得浆料；二、将浆料进行喷雾干燥再造粒，得粒径为30～60μm的纳米复合粉体，喷雾干燥机工作时进口温度为220℃，喷雾干燥机出口温度为110℃，喷雾干燥机喷嘴转速33000r/min；三、将再造粒后所得纳米复合粉体装入氧化铝坩埚，置于电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至600℃，热处理60min，再升温至1200℃，热处理60min后随炉冷却至室温；四、热处理后所得粉体装入石墨模具，置于放电等离子烧结炉中，以300℃/min的升温速率升温至1250℃，在30MPa的压力下保温10min后随炉冷却至室温，得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料；其中步骤一中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。

本实施方式所得氧化铝/钛酸铝陶瓷材料，经测试产品的致密度高达99.3％、断裂韧性为4.88MPa·m^1/2、弯曲强度为432.5MPa、维氏硬度为16.9GPa、弹性模量高达325.6MPa；由图1中可以看出本实施方式所得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料由氧化铝相和钛酸铝相组成，其中没有氧化钛相存在，即氧化钛完全与氧化铝反应生成了钛酸铝，并可明确的看出钛酸铝没有在烧结后降温的过程中分解；由图2中可以看出本实施方式所得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料内部没有任何孔隙存在，完全致密。

Claims

1、一种氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料按质量份数比由1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂制成；其中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；粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

2、根据权利要求1所述的氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料按质量份数比由1份混合粉体、0.7份去离子水和0.012份粘结剂制成。

3、根据权利要求1或2所述的氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于混合粉体按质量百分比由60％～97％的纳米氧化铝和3％～40％的纳米氧化钛组成。

4、根据权利要求1或2所述的氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于混合粉体按质量百分比由70％～95％的纳米氧化铝和5％～30％的纳米氧化钛组成。

5、根据权利要求1或2所述的氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于混合粉体按质量百分比由75％～90％的纳米氧化铝和10％～25％的纳米氧化钛组成。

6、根据权利要求1或2所述的氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料，其特征在于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。

7、制备权利要求1所述氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法，其特征在于制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取1份混合粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份粘结剂，然后以1000～1200r/min转速球磨混合4～10h，得浆料；二、将浆料进行喷雾干燥再造粒，得粒径为10～90μm的纳米复合粉体，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、将纳米复合粉体装入氧化铝坩埚，以8～12℃/min的升温速率升温至590～610℃，并保温热处理50～70min，再升温至1100～1300℃，热处理50～70min后随炉冷却至室温；四、热处理后所得纳米复合粉体装入石墨模具，置于放电等离子烧结炉中，以100～600℃/min的升温速率升温至1200～1270℃，在10～80MPa的压力下保温3～15min后随炉冷却至室温，得氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料；其中步骤一中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；粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚氧乙烯或羟乙基纤维素。

8、根据权利要求7所述的制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法，其特征在于步骤三中以10℃/min的升温速率升温至600℃，热处理60min，再升温至1200℃，热处理60min。

9、根据权利要求7所述的制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法，其特征在于步骤四中以200～400℃/min的升温速率升温至1220～1260℃，在20～60MPa的压力下保温4～12min。

10、根据权利要求7所述的制备氧化铝/钛酸铝陶瓷复合材料的方法，其特征在于步骤四中以300℃/min的升温速率升温至1250℃，在30MPa的压力下保温10min。