CN102093051A - 一种氧化锆纳米陶瓷材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可简单常规低温烧结制备的氧化锆纳米陶瓷材料。材料可在低于1000℃的温度下无压烧结致密化，具有由单斜相和四方相组成的两相复合结构，且两相的晶粒尺寸均小于100nm。本发明具有制备工艺简单，烧结体晶粒细小和高度致密的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可简单常规低温烧结制备的氧化锆纳米陶瓷材料。
背景技术
近二十年来，纳米材料以其超常规的力学、电学、光学和磁学等性能引起了人们广泛的关注。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都在纳米量级的水平。氧化钇稳定四方氧化锆(Y-TZP)纳米陶瓷材料具有优异的室温强度、断裂韧性，是极具应用前景的纳米陶瓷材料之一。具有超塑性的氧化锆纳米陶瓷将可以利用现有金属加工成型技术，进行锻压成型，制造精密零件，从而使得陶瓷材料大规模替代金属材料成为可能。但只有当材料达到高致密和晶粒处在纳米量级时才能满足超塑性加工的要求。因此，晶粒细小纳米陶瓷的完全致密化具有重要的意义。然而，高致密纳米陶瓷的制备却非常困难。在高温烧结促进致密化的过程中，总是伴随着晶粒的快速长大。为此，人们采用了各种先进的成型和烧结技术，来制备晶粒细小的高致密纳米陶瓷，收到一定的效果。然而，这些技术增加了材料的成本，并具有各种局限，且制备样品的体积一般都很小。最具有商业价值的常规冷压成型和无压烧结工艺，在这一领域中的进展并不如预想的那样迅速，这极大地制约了纳米陶瓷的发展和推广应用。大量实践证明，少量的添加剂会明显改善材料的烧结制度、有效地降低陶瓷烧结的温度并抑制晶粒的长大。已有的对纳米陶瓷的研究表明(M.J.Mayo，D.C.Hague and D.-J.Chen，Mater.Sci.Eng.A，166，1993)，开气孔可以在烧结第二阶段非常有效地起到钉扎晶界的作用，直到开气孔消失进入烧结第三阶段。与开气孔的作用相类似，在纳米陶瓷中可以引入一些掺杂物来降低晶界的迁移率，或者是引入第二相夹杂物起到钉扎晶界的作用(Vladimir V.Srdic，Markus Winterer andHorst Hahn，J.Am.Ceram.Soc.，83，2000)。因此，通过纳米复合技术来制备高致密纳米陶瓷，是一种简便有效的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可简单常规低温烧结制备的氧化锆纳米陶瓷材料。
一种氧化锆纳米陶瓷材料，其特征在于该材料具有由单斜相和四方相组成的两相复合结构，且两相的晶粒尺寸均小于100nm；通过下列步骤来制备：
A用沉淀法制备一种ZrO2(3Y)纳米复合粉体，其具有三元ZrO2-Y2O3-CuO固溶体结构，且晶粒尺寸小于15nm；
B将纳米复合粉体，在800～1000MPa的压力下模压成型，成型后的坯体放入烧结炉中，按2～5℃/min的升温速率将炉温升至800～1000℃，保温2～4小时后冷却，得到氧化锆纳米陶瓷材料。
本发明的材料可在低于1000℃的温度下无压烧结致密化，具有由单斜相和四方相组成的两相复合结构，且两相的晶粒尺寸均小于100nm。
本发明的可简单常规低温烧结制备的氧化锆纳米陶瓷材料，由于CuO的添加极大的影响了ZrO2(3Y)纳米复合粉体的晶格参数，ZrO2(3Y)/CuO形成了固溶体，当这种固溶体形成时，由于晶体中出现了缺陷，使晶体内能大大提高，活化了晶格，提高了烧结过程中的扩散速率，从而促进材料烧结的进行。另外，复合材料在烧结过程中发生的相变也极大地促进了材料的致密化过程。
本发明的制备方法可使氧化锆陶瓷的致密化温度降低200～300℃，用简单常规的冷压成型和低于900℃的温度即可得到致密度高于96％的细晶粒氧化锆纳米陶瓷。本发明具有制备工艺简单，烧结体晶粒细小和高度致密的特点。
具体实施方式
实施例1
将50gZrOCl2·8H2O、1.8gCu(NO3)3·9H2O和3.3gY(NO3)3·6H2O溶于150ml蒸馏水中，搅拌使盐完全溶解至溶液透明，再加入浓度为0.8M的聚乙二醇-2000溶液1ml。另外，用蒸馏水配置0.1M的氨水溶液，将上述配好的两种溶液缓慢滴加到500ml的pH为10的氨水中，同时进行强烈搅拌，待反应完全，体系的pH值基本保持不变，得到混合胶体。将沉淀物静置12小时，然后用蒸馏水洗涤五次以除去CL-、NO3 -等杂质离子，再用无水乙醇两次洗涤以脱除水分，消除胶粒之间借助水分子形成的桥氧键，避免在煅烧过程中形成粉料的硬团聚。最后在600℃温度下煅烧2小时得到ZrO2(3Y)纳米复合粉体，晶粒尺寸为8-12nm，结构为四方相氧化锆。称取上述制备好纳米复合粉体用模压成型，压力为1000MPa，成型后的坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为900℃，保温时间为4小时，制备出氧化锆纳米陶瓷材料。制备的纳米陶瓷的结构为四方相氧化锆和单斜相氧化锆的复合结构，材料的平均晶粒尺寸为80nm，致密度大于96％。
实施例2
将50gZrOCl2·8H2O、1.8gCu(NO3)3·9H2O和3.3gY(NO3)3·6H2O溶于150ml蒸馏水中，搅拌使盐完全溶解至溶液透明，再加入浓度为0.8M的聚乙二醇-2000溶液1ml。另外，用蒸馏水配置0.1M的氨水溶液，将上述配好的两种溶液缓慢滴加到500ml的pH为10的氨水中，同时进行强烈搅拌，待反应完全，体系的pH值基本保持不变，得到混合胶体。将沉淀物静置12小时，然后用蒸馏水洗涤五次以除去CL-、NO3 -等杂质离子，再用无水乙醇两次洗涤以脱除水分，消除胶粒之间借助水分子形成的桥氧键，避免在煅烧过程中形成粉料的硬团聚。最后在600℃温度下煅烧2小时得到ZrO2(3Y)纳米复合粉体，晶粒尺寸为8-12nm，结构为四方相氧化锆。称取上述制备好纳米复合粉体用模压成型，压力为1000MPa，成型后的坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为950℃，保温时间为4小时，制备出氧化锆纳米陶瓷材料。制备的纳米陶瓷的结构为四方相氧化锆和单斜相氧化锆的符合结构，材料的平均晶粒尺寸为90nm，致密度大于98％。
实施例3
将50gZrOCl2·8H2O、1.2gCu(NO3)3·9H2O和3.3gY(NO3)3·6H2O溶于150ml蒸馏水中，搅拌使盐完全溶解至溶液透明，再加入浓度为0.8M的聚乙二醇-2000溶液1ml。另外，用蒸馏水配置0.1M的氨水溶液，将上述配好的两种溶液缓慢滴加到500ml的pH为10的氨水中，同时进行强烈搅拌，待反应完全，体系的pH值基本保持不变，得到混合胶体。将沉淀物静置12小时，然后用蒸馏水洗涤五次以除去CL-、NO3 -等杂质离子，再用无水乙醇两次洗涤以脱除水分，消除胶粒之间借助水分子形成的桥氧键，避免在煅烧过程中形成粉料的硬团聚。最后在550℃温度下煅烧2小时得到ZrO2(3Y)纳米复合粉体，晶粒尺寸为6-10nm，结构为四方相氧化锆。称取上述制备好纳米复合粉体用模压成型，压力为1000MPa，成型后的坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为900℃，保温时间为4小时，制备出氧化锆纳米陶瓷材料。制备的纳米陶瓷的结构为四方相氧化锆和单斜相氧化锆的符合结构，材料的平均晶粒尺寸为75nm，致密度大于97％。
实施例4
将50gZrOCl2·8H2O、3.1gCu(NO3)3·9H2O和3.3gY(NO3)3·6H2O溶于150ml蒸馏水中，搅拌使盐完全溶解至溶液透明，再加入浓度为0.8M的聚乙二醇-2000溶液1ml。另外，用蒸馏水配置0.1M的氨水溶液，将上述配好的两种溶液缓慢滴加到500ml的pH为10的氨水中，同时进行强烈搅拌，待反应完全，体系的pH值基本保持不变，得到混合胶体。将沉淀物静置12小时，然后用蒸馏水洗涤五次以除去CL-、NO3 -等杂质离子，再用无水乙醇两次洗涤以脱除水分，消除胶粒之间借助水分子形成的桥氧键，避免在煅烧过程中形成粉料的硬团聚。最后在700℃温度下煅烧2小时得到ZrO2(3Y)纳米复合粉体，晶粒尺寸为10-15nm，结构为四方相氧化锆。称取上述制备好纳米复合粉体用模压成型，压力为1000MPa，成型后的坯体放入烧结炉中烧结，烧结温度为950℃，保温时间为4小时，制备出氧化锆纳米陶瓷材料。制备的纳米陶瓷的结构为四方相氧化锆和单斜相氧化锆的复合结构，材料的平均晶粒尺寸为95nm，致密度大于97％。
Claims (1)
1.一种氧化锆纳米陶瓷材料，其特征在于该材料具有由单斜相和四方相组成的两相复合结构，且两相的晶粒尺寸均小于100nm；通过下列步骤来制备：
A用沉淀法制备一种ZrO2(3Y)纳米复合粉体，其具有三元ZrO2-Y2O3-CuO固溶体结构，且晶粒尺寸小于15nm；
B将纳米复合粉体，在800～1000MPa的压力下模压成型，成型后的坯体放入烧结炉中，按2～5℃/min的升温速率将炉温升至800～1000℃，保温2～4小时后冷却，得到氧化锆纳米陶瓷材料。
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2009
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