CN102701735A - 一种稳定氧化锆/莫来石陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锆英石/氧化铝制备稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷的方法，以工业级ZrSiO₄和Al₂O₃为原料，在添加Y₂O₃的条件下，以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨1h～5h，取出干燥后用研钵研磨；所得混合料以30～200Mpa的压力单轴向模压成型，保压3～5min，将所得素坯烧结，保温，即可得到稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料。本发明具有原料价廉、工艺简单、产物纯度高、综合性能高和可重复性好等优点。

Description

一种稳定氧化锆/莫来石陶瓷材料的制备方法

技术领域

本发明属于先进复合陶瓷材料领域，具体涉及到一种稳定氧化锆/莫来石陶瓷材料的制备方法。

背景技术

氧化锆材料因其具有高熔沸点、导热系数小、耐磨性好、抗腐蚀性能好等优良的物理化学性能在制造结构陶瓷、功能陶瓷、压电陶瓷电子陶瓷、高温光学组件、磁流体发电机等高科技领域发挥了极大的作用。

莫来石因具有低热导系数和热膨胀系数、出色的抗高温蠕变性和抗热震性、以及良好的化学稳定性和高温强度等一系列优异的热学和力学性能，被广泛应用于耐火材料中。

氧化锆/莫来石复合材料一方面具有ZrO₂和莫来石两者的优点，另一方面，由于ZrO₂具有增韧效果，使得莫来石克服了其致命缺点--脆性，从而大大扩大材料的应用范围，氧化锆增韧莫来石主要是通过氧化锆相变（t-ZrO₂转变成m- ZrO₂）来实现，因此提高t-ZrO₂含量是制备性能优良的陶瓷材料的先决条件。

从上世纪70年代开始，人们对氧化锆/莫来石陶瓷材料进行了深入广泛的研究，其中，以锆英石和氧化铝为原料通过反应烧结工艺制备氧化锆/莫来石陶瓷材料，具有制备成本低、操作简单等优点，但是由于烧结过程中生成的莫来石会产生体积膨胀，对材料致密度产生不利的影响，为了获得致密的材料，研究者提出了二步烧结和添加烧结助剂的方法。二步烧结方法是由N.Claussen于1980年提出的，之后未见成功的报道；添加烧结助剂的方法由于加入助剂后体系变得复杂，烧结过程不容易控制。

现有的研究不能保证ZrSiO₄中的SiO₂完全脱出，并完全与Al₂O₃反应生成莫来石晶相，而且ZrSiO₄分解出的ZrO₂多为单斜相，没有实现有效掺杂稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其在多组分条件下保证ZrSiO₄中的SiO₂完全脱出，并完全与Al₂O₃反应生成莫来石晶相，而且ZrSiO₄分解出的ZrO₂基本上为稳定相，实现了有效掺杂稳定。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1）取原料ZrSiO₄ 、Al₂O₃和Y₂O₃，各原料的摩尔比为 ZrSiO₄：Al₂O₃：Y₂O₃=1：1.5：（0.06～0.13）；

2）以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨1h～5h，取出干燥后用研钵研磨；

3）将步骤2）所得混合料以30～200Mpa的压力单轴向模压成型，保压3～5min，将所得素坯烧结，保温，即可得到稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料。

按上述方案，所述的ZrSiO₄和Al₂O₃为工业粉体，Y₂O₃是分析纯。

按上述方案，所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料中稳定氧化锆与莫来石的两相的摩尔比为2：1。

按上述方案，步骤2）的干燥温度为80℃～120℃，干燥时间为2h～5h。

按上述方案，烧结温度为1400～1600℃，保温时间2～8h。

按上述方案，所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的密度为2.5～3.5g/cm³。

本发明所涉及的化学反应方程式是：2ZrSiO₄+3Al₂O₃=2ZrO₂+3Al₂O₃·2SiO₂

本发明利用ZrSiO₄在高温下分解出ZrO₂和SiO₂,加入的Al₂O₃一方面可以显著降低ZrSiO₄的分解温度，另一方面可以与脱出的SiO₂生成高熔点的莫来石，从而改善材料的高温性能；加入一定比例的Y₂O₃，使其对ZrSiO₄脱出的ZrO₂进行掺杂稳定，从而改善材料的强度及韧性。

本发明的有益效果在于：本发明绕过含锆矿物至高纯ZrO₂的提纯过程，直接从锆英石精矿(而不是高纯氧化锆原料)出发，通过添加适量的助剂，利用反应烧结工艺，实现对高性能稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷的低成本制备，该方法原料价廉、工艺简单，制得的产物纯度高、综合性能好。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷的XRD图；

图2是本发明实施例2中制备的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷的XRD图；

图3是本发明实施例3中制备的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷的XRD图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料及制备方法，具体步骤如下：

1）. 以ZrSiO₄ 、Al₂O₃和Y₂O₃为原料， 各原料的摩尔比为- ZrSiO₄：Al₂O₃：Y₂O₃=1：1.5：0.06；按照上述关系计算并称取各原料；其中所述的ZrSiO₄和Al₂O₃是工业粉体， Y₂O₃是分析纯；

2）.以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨5h，取出于100℃干燥3h后用研钵研磨；

3）.将混合料以30Mpa的压力单轴向压制成型，保压3～5min，将素坯于1550℃烧结，保温8h，即可得到密度为3.1g/cm³的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷，其中稳定氧化锆与莫来石的两相的摩尔比为2：1。

分析测试表明（见图1）：产物的主要物相是稳定ZrO₂和莫来石，没有ZrSiO₄和Al₂O₃衍射峰，说明ZrSiO₄全部分解，并且分解出的SiO₂与Al₂O₃生成莫来石，单斜氧化锆的峰强度较低，基本上实现了Y₂O₃对ZrO₂的掺杂稳定。

 

实施例2

一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料及制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）. 以ZrSiO₄ 、Al₂O₃和Y₂O₃为原料， 各原料的摩尔比为 ZrSiO₄：Al₂O₃：Y₂O₃=1：1.5：0.09；按照上述关系计算并称取各原料；其中所述的ZrSiO₄和Al₂O₃是工业粉体， Y₂O₃是分析纯；

2）.以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨3h，取出于110℃干燥3h后用研钵研磨；

3）. 将混合料以100Mpa的压力单轴向压制成型，保压3～5min，将素坯于1500℃烧结，保温3h，即可得到密度为2.8g/cm³的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷，其中稳定氧化锆与莫来石的两相的摩尔比为2：1。

分析测试表明（见图2）：产物的主要物相是稳定ZrO₂和莫来石，没有ZrSiO₄和Al₂O₃衍射峰，说明ZrSiO₄全部分解，并且分解出的SiO₂与Al₂O₃生成莫来石，几乎没有单斜氧化锆衍射峰，实现了Y₂O₃对ZrO₂的有效掺杂稳定。

 

实施例3

一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料及制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）. 以ZrSiO₄ 、Al₂O₃和Y₂O₃为原料， 各原料的摩尔比为 ZrSiO₄：Al₂O₃：Y₂O₃=1：1.5： 0.13；按照上述关系计算并称取各原料；其中所述的ZrSiO₄和Al₂O₃是工业粉体， Y₂O₃是分析纯；

2）.以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨3h，取出于120℃干燥3h后用研钵研磨；

3）.将混合料以200Mpa的压力单轴向压制成型，保压3～5min，将素坯于1600℃烧结，保温3h，即可得到密度为3.5g/cm³的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷，其中稳定氧化锆与莫来石的两相的摩尔比为2：1。

分析测试表明（见图3）：产物的主要物相是稳定ZrO₂和莫来石，没有ZrSiO₄和Al₂O₃衍射峰，说明ZrSiO₄全部分解，并且分解出的SiO₂与Al₂O₃生成莫来石，单斜氧化锆的峰强度较弱，基本上实现了Y₂O₃对ZrO₂的有效掺杂稳定。

 

本发明中所有原料上下限值都能实现本发明；本发明所列举的各原料都能实现本发明；及工艺参数（如温度、时间等）的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (6)

1.一种稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1）取原料ZrSiO₄ 、Al₂O₃和Y₂O₃，各原料的摩尔比为 ZrSiO₄：Al₂O₃：Y₂O₃=1：1.5：（0.06～0.13）；

2）以乙醇为球磨介质，将各原料在行星磨中球磨1h～5h，取出干燥后用研钵研磨；

3）将步骤2）所得混合料以30～200Mpa的压力单轴向模压成型，保压3～5min，将所得素坯烧结，保温，即可得到稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料。

2. 按权利要求1所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的ZrSiO₄和Al₂O₃为工业粉体，Y₂O₃是分析纯。

3.按权利要求1所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料中稳定氧化锆与莫来石的两相的摩尔比为2：1。

4.按权利要求1所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤2）的干燥温度为80℃～120℃，干燥时间为2h～5h。

5.按权利要求1或4所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于烧结温度为1400～1600℃，保温时间2～8h。

6.按权利要求1所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的稳定氧化锆/莫来石复相陶瓷材料的密度为2.5～3.5g/cm³。

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