CN103626490B - 一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，包括下列步骤：1）采用纯ZrO2粉体为原料制成生坯，置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；2）开启微波源，在低温阶段以快速升温至排湿结束，后慢速升温至反射功率稳定，后维持升温速度20～30℃/min至烧结温度，保温10～30min，迅速冷却至室温，即得。本发明的微波烧结方法，采用纯氧化锆粉体为原料制备m-ZrO2陶瓷，未添加任何稳定剂；所得m-ZrO2陶瓷的致密度为99%以上，硬度为4.0GPa以上，无开裂，符合m-ZrO2陶瓷的使用要求；烧结时间短，能源消耗低，环境污染少，具有良好的经济效益和环境效益，适合工业化大规模生产。

Description

一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法
技术领域
本发明属于陶瓷烧结技术领域，具体涉及一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法。
背景技术
氧化锆陶瓷是一种新型技术陶瓷，与传统的氧化铝陶瓷相比，具有以下优点：高强度、高断裂韧性和高硬度；优良的耐磨损性能；弹性模量和热膨胀系数与金属相近；低热导率，在耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物化学等领域获得了广泛的应用。氧化锆陶瓷是由氧化锆粉经成型、烧结制成的。
在常压下，纯ZrO2存在三种晶态，分别为单斜相氧化锆（m-ZrO2）、四方相氧化锆（t-ZrO2）和立方相氧化锆（c-ZrO2）。三种晶型存在于不同的温度范围：单斜相<950℃，四方相为1200～2370℃，立方相>2370℃；并且该三种晶型可以相互转化。氧化锆的四方相与单斜相之间的转化是马氏体相变，存在3%～5%的体积膨胀和7%～8%的切应变，因此，纯氧化锆制品往往在生产过程中（从高温到低温的冷却过程）发生t-ZrO2转化为m-ZrO2的相变时伴随体积的变化，从而产生裂纹，甚至破碎。因此，在现有技术中，采用常规技术制备无开裂的纯氧化锆陶瓷比较困难；而部分稳定的氧化锆陶瓷（PSZ）、四方多晶氧化锆陶瓷（TZP）、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等氧化锆陶瓷制品的原料中均需要添加不同量的稳定剂，制备方法工艺流程长，操作复杂，生产周期长，成本较高，并且其致密度和硬度也很难达到使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，实现了以纯氧化锆为原料制备氧化锆陶瓷，提高氧化锆陶瓷的致密度和硬度，缩短生产周期。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，包括下列步骤：
1）采用纯ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯，将所得生坯置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；
2）开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以20～100℃/min的升温速度升温至排湿结束，后连续调节微波输入功率，以10～50℃/min的升温速度升温至反射功率稳定， 后维持升温速度在20～30℃/min至烧结温度为1300～1500℃，在烧结温度条件下保温10～30min，迅速冷却至室温，即得。
所述纯ZrO2粉体为纳米级。
所述纯ZrO2粉体是由共沉淀法制备的。
所述辅助加热与保温联合装置中具有SiC辅助加热棒。辅助加热与保温装置中的SiC辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量，将热量传递给样品，能将样品温度升至400℃以上，使得氧化锆与微波更好的耦合，而高温下SiC辅助加热棒介电损耗很低，以氧化锆本身的介电损耗为主。
步骤2）中所述反射功率稳定为电流上下浮动范围在10μA以下。
步骤2）中从开启微波源到保温结束，总的烧结时间为80～120min。
步骤2）中所述迅速冷却的降温速度为15～30℃/min。
本发明的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，其中，辅助加热与保温装置中的SiC辅助加热棒能将温度升至400℃以上，使得氧化锆与微波更好的耦合，而高温下SiC辅助加热棒介电损耗很低，以氧化锆本身的介电损耗为主；步骤2）所述排湿结束由热重-差热曲线看出。
氧化锆在低温下是绝缘陶瓷材料，温度高于400℃后与微波有较好的耦合作用；微波烧结主要依靠介电损耗吸收电磁能，自身加热至烧结温度，是一种体加热过程，能够克服传统烧结方式制备氧化锆陶瓷导致的开裂问题。
本发明的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，采用纯氧化锆粉体为原料制备m-ZrO2陶瓷，未添加任何稳定剂；根据氧化锆低温吸波性能较差、高温吸波性能良好的特性，采用传统烧结与微波烧结相结合的混合微波烧结，低温快速升温、高温慢速升温的方法，所得m-ZrO2陶瓷的致密度为99%以上，硬度为4.0GPa以上，无开裂，符合m-ZrO2陶瓷的使用要求；烧结时间短，能源消耗低，环境污染少，具有良好的经济效益和环境效益，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1为实施例1所得m-ZrO2陶瓷的X射线衍射图；
图2为实施例1所得m-ZrO2陶瓷的断面（a）的SEM图；
图3为实施例1所得m-ZrO2陶瓷的表面放大5000倍的SEM图；
图4为对比例的m-ZrO2陶瓷的断面（a）的SEM图；
图5为对比例的m-ZrO2陶瓷的表面放大5000倍的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，包括下列步骤：
1）采用共沉淀法制备的纯纳米ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯，将所得生坯置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；
2）开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以20℃/min的升温速度升温至排湿结束，后连续调节微波输入功率，以10℃/min的升温速度升温，使氧化锆陶瓷能够充分转相，同时监测反射功率，至反射功率稳定，后维持升温速度在20℃/min至烧结温度为1450℃，在烧结温度条件下保温20min，按50℃/min的速度迅速冷却至室温，即得。
其中，辅助加热与保温装置中的SiC辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量，将热量传递给样品，能将样品温度升至400℃以上，使得氧化锆与微波更好的耦合，而高温下SiC辅助加热棒介电损耗很低，以氧化锆本身的介电损耗为主。
本实施例所用辅助加热与保温装置、微波谐振腔均为现有设备，其中微波谐振腔为TE666大容积微波谐振腔，谐振腔采用微波频率为2.45GHz，最大输出功率为10KW的微波源，通过6个磁控管均匀分布在腔体上方，保证谐振腔内微波场强分布均匀。腔体顶部设有排气装置及适于远红外辐射温度计的探孔；红外测温仪实时监测谐振腔内样品温度，所测温度范围为600～1800℃。
实施例2
本实施例的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，包括下列步骤：
1）采用共沉淀法制备的纯纳米ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯，将所得生坯置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；
2）开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以60℃/min的升温速度升温至排湿结束，后连续调节微波输入功率，以35℃/min的升温速度升温，使氧化锆陶瓷能够充分转相，同时监测反射功率，至反射功率稳定，后维持升温速度在30℃/min至烧结温度为1300℃，在烧结温度条件下保温30min，按30℃/min的速度迅速冷却至室温，即得。
其中，辅助加热与保温装置中的SiC辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量，将热量传递给样品，能将样品温度升至400℃以上，使得氧化锆与微波更好的耦合，而高温下SiC辅助加热棒介电损耗很低，以氧化锆本身的介电损耗为主。
实施例3
本实施例的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，包括下列步骤：
1）采用纯纳米ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯，将所得生坯置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；
2）开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以100℃/min的升温速度升温至排湿结束，后连续调节微波输入功率，以50℃/min的升温速度升温，使氧化锆陶瓷能够充分转相，同时监测反射功率，至反射功率稳定，后维持升温速度在25℃/min至烧结温度为1500℃，在烧结温度条件下保温10min，按15℃/min的速度迅速冷却至室温，即得。
实验例
本实验例将实施例1～3所得m-ZrO2陶瓷与对比例的m-ZrO2陶瓷做检测，实施例1所得m-ZrO2陶瓷的XRD（X射线衍射）图如图1所示，可以看出1450℃烧结后的样品完全转化为m-ZrO2；SEM图如图2、3所示；对比例的m-ZrO2陶瓷的SEM图如图4、5所示。将实施例1～3所得m-ZrO2陶瓷与对比例的m-ZrO2陶瓷作比较，结果如表1所示。
其中，对比例的m-ZrO2陶瓷的制备方法为：采用纯纳米ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯；将所得生坯采用常压烧结的方法进行烧结，升温速率为1～2℃/min，烧结温度为1500～1600℃/min，保温3h，整个烧结过程历时30h。
表1实施例1～3与对比例的m-ZrO2陶瓷比较结果
项目 致密度，% 硬度，GPa 晶粒尺寸，μm 总烧结时间
实施例1 ≥99 4.0 ≤1.0 120min
实施例2 ≥99 4.0 ≤1.0 100min
实施例3 ≥99 4.0 ≤1.0 80min
对比例 ≤97 2.1 ≥10 30h
从上表1可知，实施例1～3所得m-ZrO2陶瓷的致密度比较高，均为99%以上，同时具有较高的硬度，为4.0GPa；而对比例采用常规烧结方法所得m-ZrO2陶瓷的致密度最高为97%，硬度只有2.1GPa。
从图1上可以看出，实施例1所得m-ZrO2陶瓷经过1450℃微波烧结之后，很好的完成了氧化锆从m-ZrO2到t-ZrO2的晶型转化；从图2-5可以看出，实施例1所得m-ZrO2陶瓷的晶粒尺寸均在1μm以下，内部和表面都具有较高的致密度；而对比例所得m-ZrO2陶瓷内部结构疏松，存在较多的气泡，但是表面相对致密，即常压烧结的m-ZrO2陶瓷闭气孔较多，且其晶粒尺寸比较大，均在10μm以上。实施例1-3中氧化锆陶瓷细化的晶粒 有效避免了降温过程中晶型转变导致的开裂。
综上所述，本发明的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法极大的提高了m-ZrO2陶瓷的致密度和硬度。

Claims (2)

1.一种m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）采用纯ZrO2粉体为原料，经研磨、成型制成生坯，将所得生坯置于辅助加热与保温联合装置中，并将其一同放入微波谐振腔内；
2）开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以20～100℃/min的升温速度升温至排湿结束，后连续调节微波输入功率，以10～50℃/min的升温速度升温至反射功率稳定，后维持升温速度在20～30℃/min至烧结温度为1300～1500℃，在烧结温度条件下保温10～30min，迅速冷却至室温，即得；
其中，所述纯ZrO2粉体为纳米级；所述纯ZrO2粉体是由共沉淀法制备的；
步骤2）中所述反射功率稳定为电流上下浮动范围在10μA以下；
步骤2）中从开启微波源到保温结束，总的烧结时间为80～120min；
步骤2）中所述迅速冷却的降温速度为15～30℃/min。
2.根据权利要求1所述的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法，其特征在于：所述辅助加热与保温联合装置中具有SiC辅助加热棒。
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