CN101823870A - 一种通过锆铝碳氧化制备氧化锆-氧化铝复相材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高性能复相陶瓷材料的制备技术，特别提供了一种通过原位氧化三元锆铝碳化合物制备氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料的方法，解决现有技术制备的氧化锆/氧化铝纳米晶或细晶复相材料不实用等问题。首先，采用合成的锆铝碳陶瓷粉为原料，原料经过球磨，在空气中加热至700℃～1500℃原位氧化0～100小时，制得纳米尺度混合均匀氧化锆-氧化铝复相粉体；然后，冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气(或真空下)的热压炉中加热至1000℃～1600℃原位热压0.5～4小时，热压压力为20～40MPa。本发明可以在较低温度下、短时间内合成氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料，采用本发明方法获得的材料可以作为结构陶瓷部件和生物修复替代材料使用。
Description
技术领域
本发明涉及高性能复相陶瓷材料的制备技术，特别提供了一种通过锆铝碳氧化制备氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料的方法。
背景技术
氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料是一种有广泛应用前景的陶瓷复相材料。它综合了高硬度、高模量、高强度、高韧性、耐腐蚀、低热导、优异的生物相容性等优点。在工业结构件、热障涂层和人工生物修复替代材料等高新技术领域都有广泛的应用前景。尽管氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料具有如此优异的性能，制备上的困难限制了它的应用。迄今为止，关于氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料制备方面的文献报道有很多。主要方法有：1)机械球磨(J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷协会会刊)89(2006)1280)；2)燃烧合成(J.Mater.Res.(材料研究学报)13(1998)156)；3)共沉淀(Ceram.Inter.(陶瓷国际)34(2008)1797)；4)溶胶-凝胶(J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷协会会刊)90(2007)298)。但这些方法各有缺点，机械球磨这种合成方法耗时长，对粉体的纳米化程度有限，不容易使ZrO2和Al2O3在纳米尺度均匀混合；燃烧合成、共沉淀和溶胶-凝胶技术都为软化学合成，过程复杂耗时，产生较多废水废渣，还可能会引入一些有毒试剂。因此，探索一种新的制备氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料的方法就很有意义。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种通过原位氧化三元锆铝碳化合物制备氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料的方法。该方法以ZrAl4C4、Zr2Al3C4、Zr3Al3C5、Zr2Al4C5和Zr3Al4C6粉为原料，在较低温度、短时间内合成了氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料，解决现有技术制备的氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)纳米晶或超细晶复相材料不实用等问题。
本发明的技术方案如下：
一种通过锆铝碳氧化制备氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料的方法，该方法特征在于：
1)原料组成及成分范围：
以ZrAl4C4、Zr2Al3C4、Zr3Al3C5、Zr2Al4C5或Zr3Al4C6粉为原料，合成ZrO2-Al2O3纳米晶或超细晶复相材料中的ZrO2和Al2O3化学计量比(即摩尔比)分别为ZrO2∶Al2O3＝1∶2、2∶1.5、2∶1、1∶1和3∶1。
2)制备工艺：
首先，原料经过球磨5～50小时，在空气中以0.5～100℃/min(优选为1～20℃/min)的升温速率加热至700℃～1500℃(优选为1000℃～1200℃)原位氧化0～100小时(优选为5～20小时)，制得氧化锆-氧化铝复相粉体，ZrO2和Al2O3在纳米尺度混合均匀；然后，以2～20MPa(优选为5～10MPa)的压力冷压成饼状，冷压时间1～30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下)的热压炉中以2～50℃/min(优选为5～30℃/min)的升温速率加热至1000℃～1600℃(优选为1100℃～1300℃)原位热压0.5～4小时(优选为1～2小时)，热压压力为20～40MPa(优选为30MPa)。
本发明中，三元锆铝碳化合物的粒度为200～400目；采用本发明方法获得的ZrO2-Al2O3复相陶瓷块体材料大小在Φ(25～100)mm×(2～50)mm，材料为纳米晶或超细晶，晶粒尺寸分别为5～100nm和0.1～0.5μm。
本发明的特点是：
1.本发明选用原料简单，为ZrAl4C4、Zr2Al3C4、Zr3Al3C5、Zr2Al4C5和Zr3Al4C6粉。
2.本发明通过原位氧化反应合成纳米尺度混合均匀的ZrO2-Al2O3复相粉体，然后再通过热压的方法获得纳米晶或超细晶ZrO2-Al2O3块体复相材料。
3.本发明可以在较低温度下、短时间内合成氧化锆-氧化铝纳米晶或超细晶复相材料，采用本发明方法获得的材料可作为结构陶瓷部件和生物修复替代材料使用。
附图说明
图1为Zr3Al3C5粉体在900℃～1500℃氧化后制得的ZrO2-Al2O3复相粉体X-射线衍射图谱。
图2为复相粉体X-射线衍射图谱；其中，(a)Zr2Al3C4粉体在1000℃制得的ZrO2-Al2O3复相粉体X-射线衍射图谱；(b-f)依次为复相粉体在1100℃～1500℃热压1小时后所得的ZrO2-Al2O3块体复相材料X-射线衍射图谱。
图3为在1100℃热压制得的ZrO2-Al2O3纳米复相材料；其中，(a)透射照片和(b)高分辨照片。
图4为在1300℃～1500℃热压制得的ZrO2-Al2O3超细晶复相材料的扫描电镜照片；其中，(a)和(b)为1300℃；(c)和(d)为1400℃；(e)和(f)为1500℃。
图5为在1100℃～1500℃热压制得的ZrO2-Al2O3复相材料的密度和显微硬度与烧结温度的关系曲线。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1.
原料采用粒度为200目左右的Zr3Al3C5粉10克，球磨5小时，在空气炉中以10℃/min的升温速率升至900℃～1500℃原位氧化反应5分钟，制备ZrO2-Al2O3复相粉体，粉体粒度为0.1-10μm，ZrO2和Al2O3在纳米尺度均匀混合。所得的复相纳米粉体中ZrO2和Al2O3化学计量比为ZrO2∶Al2O3＝2∶1。相应的X-射线衍射图谱在附图1中给出。
实施例2.
原料采用粒度为400目左右的Zr2Al3C4粉20克，球磨20小时，在空气炉中以2℃/min的升温速率升至1000℃原位氧化反应20小时，制备ZrO2-Al2O3复相粉体，粉体粒度为0.1-10μm，ZrO2和Al2O3在纳米尺度均匀混合。所得的复相纳米粉体中ZrO2和Al2O3化学计量比为ZrO2∶Al2O3＝2∶1.5。相应的X-射线衍射图谱列在附图2(a)上。
实施例3.
把实施例2中所得的复相粉体在10MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间5分钟，装入石墨模具中，在通有氩气作为保护气的热压炉中以20℃/min的升温速率升至1100℃原位反应热压1小时，热压压力为40MPa，获得的ZrO2-Al2O3纳米复相材料，复相陶瓷块体材料大小在Φ25mm×10mm，材料的平均晶粒尺寸为30nm。相应的X-射线衍射图谱列在附图2(b)上，透射电镜照片列在附图3上，密度和硬度值列在附图5上。
实施例4.
把实施例2中所得的复相粉体在15MPa的压力下冷压成饼状冷压时间10分钟，装入石墨模具中，在通有氩气作为保护气的热压炉中以10℃/min的升温速率升至1300℃～1500℃原位反应热压1小时，热压压力为30MPa，获得的ZrO2-Al2O3超细晶复相材料，复相陶瓷块体材料大小在Φ50mm×8mm，材料的平均晶粒尺寸分别为0.15μm，0.35μm和0.55μm。相应的X-射线衍射图谱列在附图2(d-f)上，扫描电镜照片列在附图4上，密度和硬度值列在附图5上。
Claims (1)
1.一种通过锆铝碳氧化制备氧化锆-氧化铝复相材料的方法，其特征在于：
1)原料组成及成分范围：
以ZrAl4C4、Zr2Al3C4、Zr3Al3C5、Zr2Al4C5和Zr3Al4C6粉为原料，合成ZrO2-Al2O3纳米晶或超细晶复相材料中的ZrO2和Al2O3化学计量比分别为ZrO2∶Al2O3＝1∶2、1∶1.5、2∶1、1∶1和3∶1；
2)制备工艺：
首先，原料经过球磨5～50小时，在空气中以0.5～100℃/min的升温速率加热至700℃～1500℃原位氧化0～100小时，制得纳米尺度混合均匀的氧化锆-氧化铝复相粉体；然后，以2～20MPa的压力冷压成饼状，冷压时间1～30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气或真空下的热压炉中，以2～50℃/min的升温速率加热至1000℃～1600℃原位热压0.5～4小时，热压压力为20～40MPa。
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Cited By (2)
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| CN103113091A (zh) * | 2013-02-22 | 2013-05-22 | 武汉科技大学 | 一种锆刚玉-氧化锆-碳复合粉体及其制备方法 |
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