CN101747028A

CN101747028A - 大块致密配比精确可控的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料的制备方法

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Publication number: CN101747028A
Application number: CN200810229127A
Authority: CN
Inventors: 周延春; 孙子其; 李美栓
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: CN101747028B

Abstract

本发明涉及Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备技术，具体为一种大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备方法。该制备过程由两步组成：(1)先制备Y₂Si₂O₇陶瓷粉末，以Y₂O₃和SiO₂混合物为原料，制备单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末；(2)再在Y₂Si₂O₇陶瓷粉末中加入预定体积份数的氧化锆粉末；上述两种粉末混合后，经球磨混合均匀，再将粉末成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2小时，烧结后得到致密的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料，密度为理论密度的85～100％。本发明可以在无压烧结下制备出具有精确配比、高致密度的大块Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料。该材料可以用作高温热障/环障/抗氧化涂层材料的靶材或原料，也可以作为高温结构材料、抗磨损材料等，在航空、航天方面有着广泛的应用前景。

Description

大块致密配比精确可控的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备技术，具体为一种无压烧结制备Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的方法，它是以高纯单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末为其中的一种原料提高产物纯度、提高配比精度并促进烧结的方法。

背景技术

Y₂Si₂O₇是一种熔点为1775℃的新型难熔陶瓷材料，因而可以作为一种新型的高温结构材料，而且由于其具有低的杨氏模量、低的热膨胀系数及好的抗热腐蚀性能，Y₂Si₂O₇也可做为一种优良的抗氧化保护或环障涂层(oxidationresistantor environmental barrier coatings)。同时Y₂Si₂O₇陶瓷材料还具有很低的热导率(当温度高于300℃时，热导率小于3.0W/mK)，是一种理想的热障涂层材料(thermalbarrier coating material)[J.Am.Ceram.Soc.，91[8]，2623-2629(2008)]，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前景。除此之外，Y₂Si₂O₇陶瓷材料在力学性能上也很有特点。比如高的损伤容限、低的剪切变形阻力，因而能被普通的硬质合金刀具加工；另外，Y₂Si₂O₇陶瓷材料还具有很好的抗磨擦磨损性能，Y₂Si₂O₇陶瓷材料是一种优异的可加工陶瓷并可加工为形状复杂的工件，所以Y₂Si₂O₇陶瓷材料可以用作形状复杂的磨擦件如喷嘴、阀门和密封件等等。ZrO₂陶瓷已成功的广泛应用在结构或功能领域。由于其优异的热学性能，这种陶瓷被成功的用作航空发动机和涡轮热机的叶片热障保护涂层。

因此，考虑到Y₂Si₂O₇和ZrO₂两种材料的优势和一些互补性，Y₂Si₂O₇/ZrO₂复合材料必然是一种前途光明的复合材料。这种复合材料会具有优异的环境容忍性，能抵抗高温、强氧化、强热腐蚀环境，因此Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料可以用作热障涂层和环障涂层材料。而且，由于其良好的高温性能，这种复合材料也是优秀的高温结构材料。并且，由于Y₂Si₂O₇和ZrO₂两种材料的良好的抗磨擦磨损性能，这种复合材料也可以作为抗磨损件材料使用。

发明内容

本发明目的在于提供一种制备大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的方法，通过以高纯单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末为其中的一种原料提高产物纯度、提高配比精度并促进烧结来制备大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料。

本发明的技术方案是：

一种大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备方法，制备过程由两步组成。先制备Y₂Si₂O₇陶瓷粉末，以Y₂O₃和SiO₂混合物为原料，其中Y₂O₃和SiO₂的摩尔比例为1∶(1.4～2.5)，混合均匀后在高温空气电炉中进行煅烧，煅烧温度为1250℃～1600℃，煅烧时间为1～5小时，得到高纯单相Y₂Si2O₇陶瓷粉末。单相Y₂Si2O₇陶瓷粉末与一定配比的商用Y₂O₃稳定ZrO₂(YSZ)或者单斜ZrO₂粉末进行混合，采用这种方法能精确控制复合材料的配比。两种原料粉末的配比可以在0.01％到99.99％的范围内变化，两种原料粉末(Y₂Si₂O₇陶瓷粉末、商用Y₂O₃稳定ZrO₂(YSZ)或者单斜ZrO₂粉末)的优选体积比例范围为1∶(0.01-100)。再将粉末成型得到生坯进行无压烧结(即常压下烧结)，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2.5小时，得到大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料。烧结后的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料由单相Y₂Si₂O₇与7-8mol％Y₂O₃稳定的ZrO₂组成，无其它杂质相，密度为理论密度的85％以上，在高温保温一定时间后可达100％。

本发明Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备原材料为单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和商用ZrO₂粉末，粉末粒度为0.03-50μm。

混合后的复合粉末经行星式球磨机球磨9～24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250～400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。

所述生坯成型方式为：将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15～65MPa，或进行冷等静压成型，成型压力为50～300MPa，得到初始相对密度为45～65％的生坯。

所述无压烧结工艺为，升温速率为2～25℃/min，降温速率为2～50℃/min。

所述成型后的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料生坯的烧结方法为：生坯在高温空气电炉或氧气炉中进行无压烧结，得到致密的无其它杂质的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料；所述烧结气氛为空气或氧气。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过以Y₂Si₂O₇为原料，使Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的配比在0-100％的范围内精确可控，并使Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的烧结温度降低了达350℃，产物稳定性显著提高并且促进了烧结。用无压烧结的方法制备出了大块无杂质、化学性能稳定、致密均匀的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷块体复合材料。

2、本发明烧结温度低、保温时间短、所用设备简单、成本低，用Y₂Si₂O₇和ZrO₂粉末在1100℃～1600℃、烧结0.5～2小时即可得到材料化学成分可控、无其它杂质的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷块体复合材料。两相在复合材料中的分布均匀。

3、本发明制备的大块致密高纯的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料中使用单相Y₂Si₂O₇和商用ZrO₂为原料粉末，保持了Y₂Si₂O₇和ZrO₂陶瓷的诸多优点，并且Y₂Si₂O₇中的微量Y元素进入ZrO₂晶格将ZrO₂稳定为立方相，保持了Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料在各种恶劣环境中的化学稳定性，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前景。

4、本发明可以在无压烧结下制备出具有精确配比、高致密度的大块Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料。该材料可以用作高温热障/环障/抗氧化涂层材料的靶材或原料，也可以作为高温结构材料、抗磨损材料等。

附图说明

图1为实施例1的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的密度和硬度随着ZrO₂含量变化而变化的情况。

图2为实施例2中烧结后部分Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的扫描电镜照片(ZrO₂含量分别为20、30、40、50vol％)。

图3为实施例2中烧结后10vol％ZrO₂含量Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的透射电镜照片。

图4为实施例3中Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的弹性模量和抗弯强度随ZrO₂含量变化而变化的情况。

具体实施方式

实施例1

原材料为γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和单斜ZrO₂粉末，粉末粒度为5μm。将γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和单斜ZrO₂粉末按比例进行称量，其中单斜ZrO₂粉末的含量分别为总体积的10％、20％、30％、40％、50％、70％、80％、100％。按配比称量好后的粉末经行星式球磨机球磨12小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为300转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。球磨后粉末干燥后在烘箱中110℃干燥36小时。再将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为30MPa，得到初始相对密度为55％的生坯。

最后，生坯在高温空气电炉中进行无压烧结，烧结气氛为空气，烧结温度为1550℃，升温速率为10℃/min，烧结时间为2小时，降温速率为25℃/min，降至室温，得到大块无杂质、致密均匀的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷块体复合材料。烧结后Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷块体复合材料无其它杂质相，两相在材料中分布均匀。密度均达到理论密度的97％以上。本实施例材料的密度和材料的硬度均随着ZrO₂含量的变化而线形变化。其结果如图1所示。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

原材料为γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和7mol％Y₂O₃稳定ZrO₂(7YSZ)粉末，粉末粒度为5μm。将γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和7YSZ粉末按比例进行称量，其中7YSZ粉末的含量分别为总体积的20％、30％、40％和50％。按配比称量好后的粉末经行星式球磨机球磨12小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为300转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。球磨后粉末干燥后在烘箱中110℃干燥36小时再将干燥粉末冷等静压得到生坯，成型压力为280MPa，得到初始相对密度为65％的生坯。

生坯在高温空气电炉中1500℃保温1小时无压烧结，升温速率为5℃/min烧结气氛为空气，降温速率为25℃/min，降至室温，得到大块致密高纯的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料，相对密度为98％。致密材料经热腐蚀后的晶粒扫描电镜照片见图2。其中，10vol％ZrO₂含量的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料也进行了透射电镜研究见图3，发现ZrO₂颗粒与Y₂Si₂O₇基体之间界限清晰，没有反应层，在复合材料中没有杂质相被观察到。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

原材料为γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和7mol％Y₂O₃稳定ZrO₂(7YSZ)粉末，粉末粒度为5μm。将γ-Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和7YSZ粉末按比例进行称量，其中7YSZ粉末的含量分别为总体积的20％、30％、40％和50％。称量后的粉末经行星式球磨机球磨20小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。再将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为30MPa，得到初始相对密度为55％的生坯。

在氧气炉中通氧气在1550℃无压烧结1.5小时，升温速率为10℃/min，降温速率为35℃/min，降至室温，得到大块致密高纯的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料，相对密度为100％。陶瓷材料用金刚石刀片切割后进行力学实验测试。图4列出了Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料在0-50vol％ZrO₂含量范围内的杨氏模量和三点弯曲断裂强度随ZrO₂的变化关系。随着ZrO₂含量的增加，Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的弹性模量和抗弯强度也增加。

综上所述，本发明可以制备大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料，试验证明，该材料具有高温热稳定性、精确可控的配比，可调制的力学和热学性能，可以作为高温结构材料、抗氧化性保护涂层和热障/环障涂层等。

Claims

1.一种大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，制备过程由两步组成：

(1)先制备Y₂Si₂O₇陶瓷粉末，以Y₂O₃和SiO₂混合物为原料，制备单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末；

(2)再在Y₂Si₂O₇陶瓷粉末中加入预定体积份数的氧化锆粉末；

上述两种粉末混合后，经球磨混合均匀，再将粉末成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2小时，烧结后得到致密的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料，密度为理论密度的85～100％。

2.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，原料粉末采用纯净的单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末和商用Y₂O₃稳定ZrO₂或者单斜ZrO₂粉末。

3.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述生坯的成型方式为：将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15～65MPa；或者，将干燥粉末进行冷等静压成型，成型压力为50～300MPa；获得的Y₂Si₂O₇/ZrO₂生坯，其初始相对密度为45～65％。

4.按权利要求3所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述成型后的Y₂Si₂O₇/ZrO₂生坯，在高温空气电炉或氧气炉中进行无压烧结，烧结气氛为空气或氧气。

5.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述无压烧结工艺为，升温速率为2～25℃/min，降温速率为2～50℃/min。

6.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，Y₂Si₂O₇陶瓷粉末与氧化锆粉末混合后，经行星式球磨机球磨9～24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250～400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。

7.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，在制备Y₂Si₂O₇陶瓷粉末时，Y₂O₃和SiO₂的摩尔比例为1∶(1.4～2.5)，混合均匀后在高温空气电炉中进行煅烧，煅烧温度为1250℃～1600℃，煅烧时间为1～5小时，得到单相Y₂Si₂O₇陶瓷粉末。

8.按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，Y₂Si₂O₇陶瓷粉末与氧化锆粉末两种原料粉末的优选体积比例范围为1∶(0.01-100)。