CN103641458A - 一种高温纳米复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高温纳米复合陶瓷材料，其特征在于，按重量百分比包括以下组分：纳米ZrO₂2.5~5份、亚微米Al₂O₃40~45份、纳米TiC30~40份、纳米B₄C1~4份、纳米SiO₂30-35份、稀土氧化物30-40份。本发明的这种纳米复合陶瓷材料具有高硬度、高温、高断裂韧度及耐高温等优良性能，适合陶瓷工艺中要求高性能的产品的制造加工，特别适用于制作加工高温的刀具。

Description

一种高温纳米复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

 本发明涉及陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高温纳米复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

复合陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、热化学稳定性强、熔点高等特点，特别适用于制作加工刀具。用复合陶瓷材料制造的刀具在高温下仍能进行高速切削，与钢铁等金属的亲和力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能力强，切削时不易粘刀及产生积屑瘤，工件的加工表面质量好，这些特点使得复合陶瓷刀具特别适合于加工各种难加工材料。

碳氮化钛基金属陶瓷（Ti（C,N））是在二十世纪70 年代初发展起来的，以Ti（C，N）为主要硬质相和以镍、钼为粘结相组成的，采用粉末冶金工艺制备而成的新型刀具材料。碳氮化钛基金属陶瓷具有较高的硬度，较好的耐磨性，理想的抗月牙洼磨损能力，优良的抗氧化能力和化学稳定性。

刀具在切削加工过程中，刀具的前、后刀面不断与切屑和工件接触，并发生剧烈摩擦，接触区处于高温、高压状态。发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具损坏而失效，使切削无法进行；发生在工件上的剧烈摩擦则会使加工表面质量恶化。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供一种高温纳米复合陶瓷材料，这种陶瓷材料硬度高、韧性好，并且具有良好的高温稳定性。

本发明的进一步目的是提供一种高温纳米复合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是：

提供一种高温纳米复合陶瓷材料，按重量百分比包括以下组分：纳米ZrO₂ 2.5~5份、亚微米Al₂O₃ 40~45份、纳米TiC 30~40份、纳米B₄C 1~4份、纳米SiO₂ 30-35份、稀土氧化物30-40份。

氧化锆（ZrO₂）材料本身具有高硬度、高温、高韧性、极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能，在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、光纤通信、钟表饰品、航空航天、生物、化学等各种领域获得广泛的应用；而氧化铝（Al₂O₃）本身也具备机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能。氧化锆和氧化铝均可用在陶瓷领域，但是其简单的复合组成并不能得到性能良好的陶瓷材料。

本发明氧化锆和氧化铝性能的基础上，采用其纳米或亚微米级材料，复合添加纳米碳化钛（TiC）、氧化硅和纳米碳化硼（B₄C）得到高温纳米复合陶瓷材料，碳化钛具有高硬度、高熔点和耐磨损的性能，碳化硼脆性低且耐磨，经试验证明，将上述材料与氧化锆、氧化硅和氧化铝复合得到的陶瓷材料，即本发明的这种纳米复合陶瓷材料具有高硬度、高温、高断裂韧度及耐高温等优良性能，适合陶瓷工艺中要求高性能的产品的制造加工，特别适用于制作加工高温的刀具。

优选地，按重量百分比包括以下组分：纳米ZrO₂ 4.5份、亚微米Al₂O₃ 42份、纳米TiC 38份、纳米B₄C 3份，纳米SiO₂ 32份、稀土氧化物35份。

所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨。

本发明还提供一种如上所述高温纳米复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

S1. 配料：按重量百分比进行配料：纳米ZrO₂ 2.5~5份、亚微米Al₂O₃ 40~45份、纳米TiC 30~40份、纳米B₄C 1~4份、纳米SiO₂ 30-35份、稀土氧化物30-40份；

S2. 分散纳米颗粒：将称重后的配料配制成悬浮液，然后超声搅拌至均匀；

S3. 将步骤S2的各颗粒复合，在球磨机上球磨混合均匀，经真空干燥得到原料粉末；

S4. 将混合好的原料粉末装入石墨模具中，采用热压烧结工艺进行制备，得到纳米复合陶瓷材料。

优选地，步骤S4中，烧结温度为1500~1700℃，保温时间40min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明高温纳米复合陶瓷材料在氧化锆和氧化铝本身性能的基础上，采用其纳米或亚微米级材料，复合添加纳米碳化钛（TiC）、氧化硅和纳米碳化硼（B₄C）得到高温纳米复合陶瓷材料，将上述材料与氧化锆和氧化铝复合得到的陶瓷材料，即本发明的这种纳米复合陶瓷材料具有高硬度、高温、高断裂韧度及耐高温等优良性能，适合陶瓷工艺中要求高性能的产品的制造加工，特别适用于制作加工高温的刀具。

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

2.5份纳米ZrO₂、40份亚微米Al₂O₃、30份纳米TiC、2份纳米B₄C、30份纳米SiO₂、30份氧化镧。

经测试，本实施例制得的高温纳米复合陶瓷材料的力学性能为：硬度HV17.7~18.3Gpa，抗弯强度为660~720Mpa，断裂韧性为6.8~8.5MPa·m^1/2。

实施例2

5份纳米ZrO₂、45份亚微米Al₂O₃、40份纳米TiC、4份纳米B₄C、35份纳米SiO₂、40份氧化铈。

经测试，本实施例制得的高温纳米复合陶瓷材料的力学性能为：硬度HV13.4~16.3Gpa，抗弯强度为630~710Mpa，断裂韧性为5.8~7.5MPa·m^1/2。

实施例3

纳米ZrO₂ 4.5份、亚微米Al₂O₃ 42份、纳米TiC 38份、纳米B₄C 3份，纳米SiO₂ 32份、氧化镨35份。

经测试，本实施例制得的高温纳米复合陶瓷材料的力学性能为：硬度HV15.7~17.3Gpa，抗弯强度为620~700Mpa，断裂韧性为6.5~8.0MPa·m^1/2。

实施例4

上述任一实施例的高温纳米复合陶瓷材料可以由以下制备方法制得，具体包括以下步骤：

S1. 配料。按重量百分比进行配料：纳米ZrO₂ 2.5~5份、亚微米Al₂O₃ 40~45份、纳米TiC 30~40份、纳米B₄C 1~4份、纳米SiO₂ 30-35份、稀土氧化物30-40份。

S2. 分散纳米颗粒。实现该步骤时，可以以聚乙二醇（PEG）为分散剂，质量约为1%，先将称重后的纳米材料缓慢加入无水乙醇中，边加入边搅拌，配制成体积分数为2%的悬浮液，将分散剂加入纳米材料的悬浮液中，超声搅拌30min以上，使悬浮液均匀，得到分散性能良好的悬浮液；

S3. 球磨并干燥混合。将步骤S2的各颗粒复合，在球磨机上球磨约48小时使其混合均匀，经真空干燥、120目筛过筛，得到混合均匀的原料粉末；

S4. 烧结。将混合好的原料粉末装入石墨模具中，采用热压烧结工艺进行制备，烧结温度为1500~1700℃，保温时间40min，得到纳米复合陶瓷材料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温纳米复合陶瓷材料，其特征在于，按重量百分比包括以下组分：纳米ZrO₂ 2.5~5份、亚微米Al₂O₃ 40~45份、纳米TiC 30~40份、纳米B₄C 1~4份、纳米SiO₂ 30-35份、稀土氧化物30-40份。

2. 根据权利要求1所述的高温纳米复合陶瓷材料，其特征在于，按重量百分比包括以下组分：纳米ZrO₂ 4.5份、亚微米Al₂O₃ 42份、纳米TiC 38份、纳米B₄C 3份，纳米SiO₂ 32份、稀土氧化物35份。

3. 根据权利要求1或2所述的高温纳米复合陶瓷材料，其特征在于，所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨。

4. 一种如权利要求1至3任一项所述高温纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 配料：按重量百分比进行配料：纳米ZrO₂ 2.5~5份、亚微米Al₂O₃ 40~45份、纳米TiC 30~40份、纳米B₄C 1~4份、纳米SiO₂ 30-35份、稀土氧化物30-40份；

S2. 分散纳米颗粒：将称重后的配料配制成悬浮液，然后超声搅拌至均匀；

S3. 将步骤S2的各颗粒复合，在球磨机上球磨混合均匀，经真空干燥得到原料粉末；

S4. 将混合好的原料粉末装入石墨模具中，采用热压烧结工艺进行制备，得到纳米复合陶瓷材料。

5. 根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，烧结温度为1500~1700℃，保温时间40min。