CN103497003A - 一种防静电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防静电陶瓷材料及其制备方法，该防静电陶瓷材料以部分稳定氧化锆陶瓷材料为基体，基体表面存在厚度≥2微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。该防静电陶瓷材料的制备方法包括将部分稳定氧化锆陶瓷材料置于耐高温坩埚内用铁粉进行包埋，然后在与空气直接接触的铁粉外覆盖石墨粉，再将含部分稳定氧化锆陶瓷材料、铁粉包埋层和石墨粉层的耐高温坩埚置于电阻炉中加热升温至1000℃～1400℃并保温2h～20h，冷却后去除耐高温坩埚、陶瓷材料表面黏附的石墨和铁，得到防静电陶瓷材料。本发明的防静电陶瓷材料具有良好的防静电功能，制备方法工艺简单、操作方便、且成本低廉。

Description

一种防静电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于特种陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种防静电陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
静电现象在电子信息、石油化工、纺织、油漆、研磨粉碎和烟花爆竹等工业领域非常普遍。静电荷的聚集很可能引起巨大的危害，例如静电荷聚集放电很容易干扰精密仪器运行甚至烧毁微电子元器件，美国每年由于静电而造成电子元器件失效的损失约为100～200亿美元。静电聚集会导致医药或超净空间引尘和引菌；容易引起矿山、石油化工企业和烟花爆竹企业火灾爆炸；在粉体工业，静电荷聚集会引起粉料在研磨介质上的聚集，严重影响研磨效率；静电聚集在纺织行业还会造成纤维聚集。
目前，防静电材料主要包括以下几类：
（1）高分子基复合材料。在高分子材料中加入碳黑、石墨、短切纤维、导电云母粉、碳纳米管等或者直接利用高分子材料自身形成的导电通路制备成高分子基防静电材料或者涂层。Zhifei Li，Guohua Luo等在聚对苯二甲酸乙二酯（PET）添加碳纳米管制成的高分子复合防静电材料，体积电阻率达到103Ω·cm。这类防静电材料存在的问题包括均匀性难以控制、耐久性、耐高温和耐磨擦磨损性能差等。
（2）防静电釉。防静电釉主要用于建筑陶瓷材料，是在传统釉粉中加入半导体导体氧化物颗粒、导电纤维，借助导电颗粒或导电纤维形成的网络实现防静电功能。Claudio Fontanesi，Cristina Leonelli等通过在传统釉中添加SnO2、Sb2O3，体积电阻率达到105Ω·cm。但是，制造防静电釉层是和传统陶瓷材料制备技术结合在一起，制品气孔率高，力学性能较低，主要用于防静电台板、墙地砖等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有良好的防静电功能的陶瓷材料，还提供一种工艺简单、操作方便、成本低廉的防静电陶瓷材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种防静电陶瓷材料，所述防静电陶瓷材料以部分稳定氧化锆陶瓷材料为基体，所述基体表面存在表面改性层，所述表面改性层中含有铁元素和碳元素，所述表面改性层的厚度≥2微米。
上述的防静电陶瓷材料中，优选的，所述部分稳定氧化锆陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷材料。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种防静电陶瓷材料的制备方法，包括将部分稳定氧化锆陶瓷材料置于耐高温坩埚内用铁粉进行包埋，在部分稳定氧化锆陶瓷材料的外围形成铁粉包埋层，铁粉包埋层的厚度不小于5mm，然后在与空气直接接触的铁粉外覆盖一层石墨粉，石墨粉层的厚度不小于10mm，将含部分稳定氧化锆陶瓷材料、铁粉包埋层和石墨粉层的耐高温坩埚置于电阻炉中加热升温至1000℃～1400℃，并保温2h～20h，冷却后去除耐高温坩埚、陶瓷材料表面黏附的石墨和铁，得到防静电陶瓷材料。
上述的制备方法中，优选的，所述部分稳定氧化锆陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷材料。
上述的制备方法中，优选的，所述铁粉为还原铁粉或雾化铁粉。
上述的制备方法中，优选的，所述电阻炉的炉内气氛为空气气氛、惰性气体保护气氛或真空。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明以部分稳定氧化锆陶瓷为基体，充分利用了氧化锆基体本身优异的物理化学性能，赋予其防静电功能，扩大了应用领域；表面改性层中存在具有静电耗散功能的铁元素和碳元素，具备此种结构的材料具有良好的防静电功能。
（2）本发明采用了表面改性的方法，利用扩散理论，通过高温浸渗，使得氧化锆陶瓷在表层形成≥2微米厚度的表面改性层，表面改性层中存在可供静电耗散的铁元素和碳元素，形成静电耗散网络，操作方便，工艺简单，易于控制，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例中含部分稳定氧化锆陶瓷方片、铁粉包埋层和石墨粉层的氧化铝陶瓷坩埚结构示意图。
图2为本发明实施例1制备的防静电氧化锆基陶瓷浸渗铁截断面的扫描电子显微镜照片。
图3为本发明实施例1制备的防静电氧化锆基陶瓷浸渗铁截断面表面改性层区域的X射线能谱。
图例说明：
1、部分稳定氧化锆陶瓷方片；2、氧化铝陶瓷坩埚；3、石墨粉层；4、铁粉包埋层。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种本发明的防静电陶瓷材料，该防静电陶瓷材料以氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片为基体，基体表面存在厚约10微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。
一种上述本实施例的防静电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取5mm×24mm×24mm部分稳定氧化锆陶瓷方片1，具体为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片，用纱布纸摩擦氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片，去除表面粘附的杂质颗粒等粘附层，然后将氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片放入干燥箱中干燥10min；将耐高温的氧化铝陶瓷坩埚2清洗干净并烘干，将石墨粉和铁粉放置于真空干燥箱中干燥，铁粉为还原铁粉；将氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片置于氧化铝陶瓷坩埚2中，用铁粉包埋覆盖氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片的所有表面，在部分稳定氧化锆陶瓷方片1的外围形成铁粉包埋层4，铁粉包埋层4为立体中空结构，铁粉包埋层的层厚为8mm，然后在与空气直接接触的铁粉外覆盖石墨粉，石墨粉层3的厚度为13mm，得到如图1所示的含部分稳定氧化锆陶瓷方片1、铁粉包埋层4和石墨粉层3的氧化铝陶瓷坩埚2；
（2）将上述含氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片、铁粉包埋层4和石墨粉层3的氧化铝陶瓷坩埚2置于空气气氛电阻炉中以5℃/分钟的速率加热升温至1400℃并保温4h，自然冷却至室温后，去除氧化铝陶瓷坩埚2、陶瓷材料表面粘附的铁和石墨，得到防静电ZrO2基陶瓷材料。
本实施例的上述方法成功制备了防静电氧化锆基陶瓷材料。图2为上述本实施例制备的防静电氧化锆基陶瓷截断面的扫描电子显微镜照片，可以看到防静电氧化锆基陶瓷材料包含氧化锆基体和表面改性层，表面改性层厚度约为10微米。图3为该防静电氧化锆基陶瓷截断面上的表面改性层区域的X射线能谱，从X射线能谱图谱中可以看出，表面改性层中存在有铁元素和碳元素。经测试，本实施例的防静电氧化锆基陶瓷材料表面电阻率为2.9×107Ω/□，防静电效果较好。
实施例2：
一种本发明的防静电陶瓷材料，该防静电陶瓷材料以氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷方片为基体，基体表面存在厚约13微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。
一种上述本实施例的防静电陶瓷材料的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，区别仅在于：基体材料为氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷方片。最终得到的防静电陶瓷材料的表面电阻率为1.7×107Ω/□，可以起到防静电的效果。
实施例3：
一种本发明的防静电陶瓷材料，该防静电陶瓷材料以氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片为基体，基体表面存在厚4微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。
一种上述本实施例的防静电陶瓷材料的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，区别仅在于：步骤（2）中加热升温至1000℃。最终得到的防静电陶瓷材料的表面电阻率为3.5×108Ω/□，可以起到很好的防静电效果。
实施例4：
一种本发明的防静电陶瓷材料，该防静电陶瓷材料以氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片为基体，基体表面存在厚7微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。
一种上述本实施例的防静电陶瓷材料的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，区别仅在于：步骤（2）中加热升温至1100℃，保温8小时。最终得到的防静电陶瓷材料的表面电阻率为7.5×106Ω/□，可以起到防静电的效果。
实施例5：
一种本发明的防静电陶瓷材料，该防静电陶瓷材料以氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷方片为基体，基体表面存在厚14微米的表面改性层，表面改性层中含有铁元素和碳元素。
一种上述本实施例的防静电陶瓷材料的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，区别仅在于：步骤（2）中电阻炉内采用真空。最终得到的防静电陶瓷材料的表面电阻率为4.3×105Ω/□，可以起到防静电的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种防静电陶瓷材料，其特征在于，所述防静电陶瓷材料以部分稳定氧化锆陶瓷材料为基体，所述基体表面存在表面改性层，所述表面改性层中含有铁元素和碳元素，所述表面改性层的厚度≥2微米。
2.根据权利要求1所述的防静电陶瓷材料，其特征在于，所述部分稳定氧化锆陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷材料。
3.一种防静电陶瓷材料的制备方法，包括将部分稳定氧化锆陶瓷材料置于耐高温坩埚内用铁粉进行包埋，在部分稳定氧化锆陶瓷材料的外围形成铁粉包埋层，铁粉包埋层的厚度不小于5mm，然后在与空气直接接触的铁粉外覆盖一层石墨粉，石墨粉层的厚度不小于10mm，将含部分稳定氧化锆陶瓷材料、铁粉包埋层和石墨粉层的耐高温坩埚置于电阻炉中加热升温至1000℃～1400℃，并保温2h～20h，冷却后去除耐高温坩埚、陶瓷材料表面黏附的石墨和铁，得到防静电陶瓷材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述部分稳定氧化锆陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷材料。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述铁粉为还原铁粉或雾化铁粉。
6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述电阻炉的炉内气氛为空气气氛、惰性气体保护气氛或真空。
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