CN103396118B - 一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 - Google Patents
一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103396118B CN103396118B CN201310304944.3A CN201310304944A CN103396118B CN 103396118 B CN103396118 B CN 103396118B CN 201310304944 A CN201310304944 A CN 201310304944A CN 103396118 B CN103396118 B CN 103396118B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- tzp
- ultrafine
- sintering
- firing method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法，其特征是具体步骤是：以市售粒径30~60nm的3Y-TZP纳米粉为原料，经过喷雾造粒、模压制成生坯；将生坯放入烧结炉中，以5℃/分钟升温至550~600℃，保温1~2小时，脱脂；升温速率为400~500℃/分钟，将炉温快速升至1300~1400℃，保温时间为1~3分钟；降温速率为150~200℃/分钟，将炉温快速降至1150~1200℃，保温时间为10~20小时；降温至室温，得到超细晶氧化锆陶瓷。本发明的方法通过增加烧结过程中的升降温速率，减少坯体在高温段停留的时间，在保证致密化的同时，减小晶粒尺寸，获得了致密度>99%，晶粒尺寸在150~180nm的超细晶3Y-TZP氧化锆陶瓷。
Description
技术领域
本发明属于结构陶瓷材料的制备技术领域，特别涉及一种氧化锆陶瓷的烧制方法。
背景技术
3%mol氧化钇部分稳定的四方多晶氧化锆陶瓷（3Y-TZP）是一种综合性能良好的氧化锆材料，在化工、机械制造、电子信息和航空航天等领域得到了广泛应用。晶粒尺寸和致密度会显著影响到3Y-TZP陶瓷的性能。当陶瓷材料达到高致密和超细晶状态时，材料性能会得到显著的提高。因此，在烧结过程中，同时实现全致密（≥99%）和有效抑制晶粒生长具有重要意义。为了获得超细晶的材料，通常会选择使用超细晶甚至纳米粉末为初始原料。这些粉末虽然具有高的比表面能，可以降低烧结温度，但是在烧结致密化过程中，通常也不可避免地伴随着晶粒的快速长大。为此，人们采用了各种不同的手段来制备晶粒细小的高致密度超细晶(100nm~1μm)或纳米陶瓷(＜100nm)。归纳起来，主要包括以下两种途径：一种是添加烧结助剂，另一种是在烧结过程中外加压力。这两种方法都有一些局限性，例如前者往往会导致陶瓷材料某些重要性能的劣化，而后者则会显著增加制备成本。因此人们一直希望能够在不添加烧结助剂的情况下，仅通过改进常压烧结制度，获得致密的超细晶甚至纳米晶材料。
I.W. Chen, X.H. Wang (“Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth,” Nature, 404, 168-171 (2000)) 提出了一种通过两步烧结法在常压烧结条件下获得全致密纳米陶瓷的新技术。该法第一步采用的升温速率较慢（40~50℃/min），无法抑制过程中的晶粒长大。本发明对此进行了改进，通过增加升降温速率，减少坯体在高温段停留的时间，在保证致密化的同时，进一步减小了晶粒尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种致密度高、晶粒细小的氧化锆陶瓷烧制方法。
本发明的基本思想是：将商业化的3Y-TZP纳米粉喷雾造粒、机械模压、脱脂后，再经过两步烧结制备全致密的超细晶氧化锆陶瓷。通过增加第一步烧结过程中的升降温速率，减少坯体在高温段停留的时间，在保证致密化的同时，进一步减小晶粒尺寸。
本发明方法的具体步骤如下：
步骤一：以市售粒径30~60nm的3Y-TZP纳米粉为原料，经过喷雾造粒、模压制成生坯。
步骤二：将生坯放入烧结炉中，以5℃/分钟升温至550~600℃，保温1~2小时，脱脂。
步骤三：升温速率为400~500℃/分钟，将炉温快速升至1300~1400℃，保温时间为1~3分钟。
步骤四：降温速率为150~200℃/分钟，将炉温快速降至1150~1200℃，保温时间为10~20小时。
步骤五：随炉降温至室温，得到超细晶氧化锆陶瓷。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过采用快速升温的手段，显著缩短了烧结过程中坯体在高温段的停留时间，避免了晶粒在烧结的第一阶段即发生明显长大；通过采用快速降温的手段，不仅进一步缩短了烧结体在高温段的停留时间，而且提供了额外的烧结活性，使得在第二阶段烧结温度较低的情况下仍能获得致密的烧结体，最终在不添加烧结助剂和烧结压力的情况下，获得了致密度>99%，晶粒尺寸在150~180nm的超细晶3Y-TZP氧化锆陶瓷。
附图说明
图1为实施例1制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。
图2为实施例2制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。
图3为对比例2制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。
图4为对比例3制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了相关的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的生坯，生坯致密度为50.4%。然后将生坯放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以400~500℃/分钟的升温速度将温度升至1400℃，保温1分钟，然后以150~200℃/分钟降温至1200℃，保温10小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为99.5%，平均晶粒尺寸为180nm。
实施例2
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至500℃，保温2小时进行脱脂。再以400~500℃/分钟的升温速度将温度升至1300℃，保温1分钟，然后以150~200℃/分钟降温至1150℃，保温20小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为99.3%，平均晶粒尺寸为150nm。
对比例1
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以5℃/分钟的升温速度将温度升至1150℃，保温20小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为92.1%。
对比例2
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以5℃/分钟的升温速度将温度升至1400℃，保温2小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为98.0%，平均晶粒尺寸为338nm。
对比例3
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以40~50℃/分钟的升温速度将温度升至1400℃，保温1分钟，然后以40~50℃/分钟降温至1150℃，保温20小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为99.1%，平均晶粒尺寸为215nm。
对比例4
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以400~500℃/分钟的升温速度将温度升至1400℃，保温1分钟，然后以150~200℃/分钟降温至1250℃，保温20小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为97.8%，平均晶粒尺寸为220nm。
对比例5
称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的坯体，坯体致密度为50.4%。然后将坯体放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以40~50℃/分钟的升温速度将温度升至1300℃，保温1分钟，然后以40~50℃/分钟降温至1150℃，保温20小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为95.2%。
上述对比例中，对比例1表明，通过常规烧结方法在1150℃保温20小时无法获得致密的烧结体。
对比例2表明，通过常规烧结方法，即使将烧结温度提高到1400℃，保温2小时，烧结体的致密度也只能达到98.0%，而此时晶粒尺寸已经高达338nm，晶粒发生了明显的长大。
对比例3为采用I.W. Chen提出的两步烧结法所能获得的最佳效果。其晶粒尺寸明显大于本发明所获得的晶粒尺寸。
对比例4说明了本发明中第二阶段的温度1150~1200℃具有唯一性。常规情况下，烧结体致密度不足，可以通过提高烧结温度来增加的，但是采用本发明的方法，提高第二阶段的烧结温度，反而会降低烧结体的致密度。
对比例5进一步表明，按照本发明优化出的温度参数（第一阶段的温度更低），采用I.W. Chen所提出的升降温速率无法获得致密的烧结体，进一步证明了本发明效果更佳。
Claims (1)
1.一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法，其特征是具体步骤如下：
步骤一：以市售粒径30~60nm的3Y-TZP纳米粉为原料，经过喷雾造粒、模压制成生坯；
步骤二：将生坯放入烧结炉中，以5℃/分钟升温至550~600℃，保温1~2小时，脱脂；
步骤三：升温速率为400~500℃/分钟，将炉温快速升至1300~1400℃，保温时间为1~3分钟；
步骤四：降温速率为150~200℃/分钟，将炉温快速降至1150~1200℃，保温时间为10~20小时；
步骤五：随炉降温至室温，得到超细晶氧化锆陶瓷。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310304944.3A CN103396118B (zh) | 2013-07-19 | 2013-07-19 | 一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310304944.3A CN103396118B (zh) | 2013-07-19 | 2013-07-19 | 一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103396118A CN103396118A (zh) | 2013-11-20 |
| CN103396118B true CN103396118B (zh) | 2014-11-12 |
Family
ID=49559909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310304944.3A Expired - Fee Related CN103396118B (zh) | 2013-07-19 | 2013-07-19 | 一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103396118B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108033774B (zh) * | 2017-12-28 | 2020-05-19 | 宁夏大学 | 纳米ntc热敏材料的制备方法 |
| CN112174644B (zh) * | 2020-09-07 | 2022-05-31 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种无压快速烧结致密纳米晶粒陶瓷的方法 |
| CN116354731A (zh) * | 2023-03-30 | 2023-06-30 | 基迈克材料科技（苏州）有限公司 | 细晶亚微米结构陶瓷两步烧结法 |
-
2013
- 2013-07-19 CN CN201310304944.3A patent/CN103396118B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103396118A (zh) | 2013-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106915961B (zh) | 一种石墨烯-氧化锆复合材料及其制备方法 | |
| CN103396118B (zh) | 一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法 | |
| CN105254306A (zh) | 一种高导热氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| WO2022222778A1 (zh) | 一种通过陶瓷前驱体骨架成型的精细陶瓷材料及其制备方法和应用 | |
| CN103130508A (zh) | 一种制备织构化硼化物基超高温陶瓷的方法 | |
| CN104909765A (zh) | 一种低成本、快速制备高性能Si3N4陶瓷球的方法 | |
| CN112028635A (zh) | 一种超高温陶瓷复合材料及制备方法 | |
| JPWO2012153645A1 (ja) | 高強度強靱性ＺｒＯ２‐Ａｌ２Ｏ３系固溶体セラミックスの作製法 | |
| CN104177087A (zh) | 用微波烧结法制备氮化硅结合碳化硅复合材料的方法 | |
| CN105060896A (zh) | 一种碳化硅陶瓷精密器件的制备方法 | |
| Chen et al. | Fabrication of YAG transparent ceramics by two-step sintering | |
| CN112174645B (zh) | 一种制备致密纳米晶粒陶瓷的方法 | |
| WO2005049525A1 (ja) | 高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体 | |
| CN113173788A (zh) | 一种红外透明陶瓷的快速烧结制备方法 | |
| CN112174644A (zh) | 一种无压快速烧结致密纳米晶粒陶瓷的方法 | |
| CN114349516B (zh) | 一种低温合成高致密SiC陶瓷的方法 | |
| CN107010938B (zh) | 一种抑制镁铝尖晶石纳米颗粒高温下长大的方法 | |
| CN107445625B (zh) | 一种高致密度ZrB2陶瓷的制备方法 | |
| CN102093080B (zh) | 一种氮化硼多孔陶瓷材料及其制备方法 | |
| KR20170109515A (ko) | 다공성 질화규소 소결체 및 이의 제조 방법 | |
| CN107805071B (zh) | 一种低玻璃润湿性钛三铝碳二/莫来石复合陶瓷的制备方法 | |
| JP2017538651A5 (zh) | ||
| US20200087213A1 (en) | Method and device for densifying materials or consolidating an assembly of materials by hydrothermal or solvothermal sintering | |
| CN115594513B (zh) | 一种原位生成碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| JP5245081B2 (ja) | 高硬度高密度立方晶窒化ホウ素系焼結体およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141112 Termination date: 20170719 |