CN103664218B

CN103664218B - 一种高韧高强远红外陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN103664218B
Application number: CN201310699751.2A
Authority: CN
Inventors: 李惠; 焦雷; 奇岩博
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103664218A

Abstract

本发明涉及红外陶瓷材料，特指一种高韧高强远红外陶瓷材料及其制备方法。按比例称取α-Al₂O₃和纳米ZrO₂（2Y）先驱体置于碱性水溶液搅拌混合，制备出α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)的高分散，均混合两相水悬浮液；将步骤（1）制得的两相水悬浮液煅烧成粉末；按比例将SiC增韧晶须、步骤（2）制得的粉末和MgO粉体，混合均匀，压制成型，高温真空烧结，随炉冷却，制得所述陶瓷材料。本发明的高强高韧远红外陶瓷材料具有较高的远红外辐射发射率，经过测试其远红外发射系数可达0.8以上。陶瓷材料具有高硬度，耐高温，耐化学腐蚀和耐磨损性能，增加了远红外陶瓷的使用寿命，使其应用领域更加广泛。

Description

一种高韧高强远红外陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外陶瓷材料，特指一种高韧高强远红外陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

红外线的产生是由于物质分子的振动和转动产生的，物质吸收了一定波长的红外能后，产生共振现象，引起分子和原子的振动和转动加剧，增加了运动的能量，从而使物体自身加热并发生一系列效应，诸如物质的发热脱水以及受辐射物质内部发生物理化学变化；红外辐射陶瓷材料是一种新型的光热转换材料，红外陶瓷在工业、环保、健康等方面的应用已经非常广泛，但随着科学技术的发展、生活水平和社会文明的提高，红外陶瓷将朝着环境保护和生体保健方向发展。

将红外技术与纳米技术、生物技术的结合将会发挥红外陶瓷材料更大的作用；目前红外陶瓷已开始在绿色建材、药品中应用，特别是与中药外服药的结合其原材料广泛、价格低廉又是其它陶瓷材料例如碳化硅、氮化硅、氧化锆等所无法比拟的，红外陶瓷材料在干燥、水的活化处理、保健纺织品、燃油活化及伪装隐身方面有着广泛的应用，检索发现，目前公开的有关制备远红外陶瓷的典型专利有：CN201110348128.3公开了一种半导体红外陶瓷涂料及其制备的方法；CN1463940高辐射远红外烧结釉料中公开了一种远红外涂料及其制备方法；这些关于远红外陶瓷专利大部分为涂料方面，而关于制备块体红外陶瓷制备方法的专利较少，如CN1940002常温红外线节能材料中公开了一种制成纳米复合常温远红外线辐射材料，该制备陶瓷方法可较好实现远红外功能，但难以克服陶瓷韧性差，脆性大的通病，并且强度一般，制备成本也不低。

本发明方法采用工业用氧化铝，碳化硅等原材料，普通陶瓷烧结工艺，制备工艺成本低；本发明首先其最主要特点是：通过掺杂包覆稀土钇Y元素的氧化锆先驱体以及碳化硅晶须的加入，有效地抑制纳米氧化铝晶粒的生长，使得该材料显微晶粒结构非常细化，烧结后部分晶粒可达纳米级，因此其强度非常高，其抗拉强度可达1200-1600Mpa；其次，该材料可从复合材料角度理解成碳化硅晶须增强陶瓷基体材料，由于碳化硅晶须增强相在基体材料微观内部呈现的裂纹偏转、阻碍扩展、相变增韧、晶须桥联等复合增韧效应，使得陶瓷材料的断裂韧性大幅度改善，有效的弥补了块体陶瓷材料韧性低、脆性大的不足；此外，本发明材料具有高硬度，耐高温，耐腐蚀和耐磨损性能，增加了远红外陶瓷的使用寿命。

远红外陶瓷的应用领域日益广泛，可是面临着许多远红外陶瓷在耐磨性能差，脆性高使用寿命低等弊端，为了解决此弊端并增加远红外陶瓷的应用领域，故必须要在赋予其远红外特点的同时必须加强其韧性和耐磨度；采用纳米ZrO₂(2Y)先驱体可有效阻碍Al₂O₃晶粒的异常长大，获得了细晶乃至纳米晶结构的陶瓷材料，提高材料的断韧性和耐磨度，使其应用领域更加广泛。

发明内容

本发明的目的主要在于克服传统远红外块体陶瓷材料韧性低、脆性大的不足，提出一种高强度、高断裂韧性的远红外陶瓷材料及其制备方法；其不同之处在于陶瓷组分及所占质量百分数：SiC增韧晶须5%；ZrO₂(2Y)先驱体15%；以及作为骨架材料的MgO所占比例5%；余量为纳米α-Al₂O₃；其中ZrO₂(2Y)为掺杂包覆2%稀土钇的氧化锆先驱体，MgO为亚微米级粉体，粒度为0.1-1μm；α-Al₂O₃纯度为99%以上纳米氧化铝粉体，粒度为50-200nm。

本发明提出的高强高韧性远红外陶瓷材料的制备过程如下：

（1）采用质量百分数为5%的聚甲基丙烯酸铵溶液，室温下浸泡90～120min，对SiC晶须进行表面改性，制得SiC增韧晶须；

（2）按比例称取α-Al₂O₃和ZrO₂（2Y）置于碱性水溶液搅拌混合，制备出α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)的高分散，均混合两相水悬浮液；

（3）将步骤（2）制得的两相水悬浮液煅烧成粉末；

（4）按比例将步骤（1）制得的SiC增韧晶须，步骤（3）制得的粉末，MgO粉体，混合均匀，压制成型，高温真空烧结，随炉冷却，制得所述陶瓷材料。

所述纳米ZrO₂(2Y)先驱体的制备方法如下：a）首先按体积比为1:1，将浓度为30-35g/L的ZrOCl₂的水溶液倒入浓度为1.5-3.5g/L的羟丙基纤维素的醇水混合溶液里面，醇水混合溶液中乙醇和水的体积比1:1，搅拌均匀得到混合溶液1；b）把步骤a中的混合溶液1加热煮沸，然后用体积百分浓度为30%的氨水中和至pH值为7-8，制备出水合二氧化锆ZrO₂·nH₂0溶液；c）按照2%质量百分含量的比例，把Y(OH)₃加入到步骤b的ZrO₂·nH₂0溶液中，在800-850℃煅烧1-2h后，制备出纳米ZrO₂(2Y)的先驱体。

所述步骤（1）中，SiC晶须的长度为200～500μm。

所述步骤（2）中，所述的碱性水溶液为pH值为9.2～9.5的NaOH水溶液或氨水溶液。

所述步骤（3）中，煅烧温度为700～750℃，煅烧时间为2～3h。

所述步骤（4）中，压制成型的压力为100～500Mpa，保压时间为1～10min，烧结温度为1600～1800℃，烧结时间为1.5～3h，真空度小于1×10^-2Pa。

本发明的高强高韧远红外陶瓷材料具有较高的远红外辐射发射率，经过测试其远红外发射系数可达0.8以上；同时，由于掺杂包覆稀土钇Y元素的氧化锆先驱体以及碳化硅晶须的加入，有效地抑制纳米氧化铝晶粒的生长，使得该材料显微晶粒结构非常细化，烧结后部分晶粒达纳米级，因此其强度非常高；经测试，其抗弯曲强度可达400-500Mpa高出普通陶瓷20%左右；其次，由于碳化硅增韧晶须作为增强相，在基体材料微观内部呈现的裂纹偏转、阻碍扩展、相变增韧、晶须桥联等复合增韧效应，使得陶瓷材料的断裂韧性大幅度改善；经测试其断裂韧性K_1c为12.56MPa·m^1/2,提高近1倍，很好地克服传统远红外陶瓷材料力学性能差、寿命短的缺点，此外，本发明材料还具有高硬度，耐高温，耐腐蚀和耐磨损等优异性能。

具体实施方式

下面通过实例对本发明进行详细说明，下面的例子只是符合本发明技术内容对的实例，并不说明本发明仅限于下述实例所述的内容。

实施例1

制备1kg高强高韧远红外块状材料。

1)称量工业用SiC晶须0.05kg，室温下置于浓度为5%的聚甲基丙烯酸铵溶液中90min，进行表面改性，后烘干备用；

2)配置浓度为30g/L的ZrOCl₂的水溶液10L，将其倒入浓度为1.5g/L的10L羟丙基纤维素醇水混合溶液里面，搅拌均匀得到混合溶液1；

3)把步骤（2）中的混合溶液1再加热煮沸，然后用体积百分浓度为30%氨水中和至PH值为7.5，制备出水合二氧化锆ZrO₂·nH₂0溶液；

4)称量2g Y(OH)₃将其倒入步骤3的ZrO₂·nH₂0溶液中，搅拌均匀，在850℃煅烧1h后，制备纳米ZrO2(2Y)的先驱体；

5)称取制备好的纳米ZrO₂(2Y)的先驱体0.15kg和α-Al₂O₃粉0.75kg，在pH=9.2氨水溶液条件下搅拌混合，制备α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)高分散、均混合两相水悬浮液5L；

6)制得的两相水悬浮液在700℃下煅烧3小时制成粉末；

7)称取MgO粉末0.05kg，80℃烘干0.5h，将其与SiC增韧晶须0.05kg、步骤（6）制得α-Al₂O₃、ZrO₂(2Y)粉末0.9kg均匀混和压制成型，压制成型的压力为100Mpa，保压时间为10min；

8)将其装入真空烧结炉中，抽真空烧结，真空度小于1×10^-2Pa，温度1600℃，烧结时间180分钟，随炉冷却，制得该材料。

实施例2

制备1.5kg高强高韧远红外块状陶瓷材料。

1)称量工业用SiC晶须0.075kg，室温下置于浓度为5%的聚甲基丙烯酸铵溶液中100min，进行表面改性，后烘干备用；

2)配置浓度为32g/L的ZrOCl₂的溶液20L，将其倒入浓度为3.2g/L的20L羟丙基纤维素醇水混合溶液里面，搅拌均匀得到混合溶液1；

3)把步骤（2）中的混合溶液1再加热煮沸，然后用体积百分浓度为30%的氨水中和至PH值为7.5，制备出水合二氧化锆ZrO₂·nH₂0溶液；

4)称量3g Y(OH)₃将其倒入步骤3的ZrO₂·nH₂0溶液中，搅拌均匀，在800℃煅烧2h后，制备纳米ZrO₂(2Y)的先驱体；

5)称取制备好的纳米ZrO₂(2Y)的先驱体0.225kg和α-Al₂O₃粉1.125kg，在pH=9.5的NaOH溶液条件下搅拌混合，制备α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)高分散、均混合两相水悬浮液5L；

6)制得的两相水悬浮液在750℃下煅烧2小时制成粉末；

7)称取MgO粉末0.075kg，80℃烘干0.5h，将其与SiC增韧晶须0.075kg、步骤（6）制得的ZrO₂(2Y)粉末与α-Al₂O₃粉末1.35kg均匀混和压制成型压制成型的压力为200Mpa，保压时间为5min；

8)将其装入真空烧结炉中，抽真空烧结，真空度小于1×10^-2Pa，温度1700℃，烧结时间150分钟，随炉冷却，制得该材料。

实施例3

制备2kg高强高韧远红外块状陶瓷材料。

1)称量工业用SiC晶须0.1kg，室温下置于浓度为5%的聚甲基丙烯酸铵溶液中2h，进行表面改性，后烘干备用；

2)配置浓度为35g/L的ZrOCl₂的溶液20L，将其倒入浓度为3.5g/L的20L羟丙基纤维素醇水混合溶液里面，搅拌均匀得到混合溶液1；

4)称量4g Y(OH)₃将其倒入步骤3的ZrO₂·nH₂0溶液中，搅拌均匀，在800℃煅烧2h后，制备纳米ZrO₂(2Y)的先驱体；

5)称取制备好的纳米ZrO₂(2Y)的先驱体0.3kg和α-Al₂O₃粉1.5kg，在pH=9.5NaOH溶液条件下搅拌混合，制备α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)高分散、均混合两相水悬浮液5L；

6)制得的两相水悬浮液在750℃下煅烧2小时制成粉末；

7)称取MgO粉末0.1kg，80℃烘干0.5h，将其与SiC增韧晶须0.1kg、步骤（6）制得α-Al₂O₃、ZrO₂(2Y)粉末1.8kg均匀混和压制成型压制成型的压力为500Mpa，保压时间为1min；

8)将其装入真空烧结炉中，抽真空烧结，真空度小于1×10^-2Pa，温度1800℃，烧结时间90分钟，随炉冷却，制得该材料。

Claims

1.一种高韧高强远红外陶瓷材料，其特征在于：陶瓷组分按质量百分数计算为：SiC增韧晶须5％；纳米ZrO₂(2Y)先驱体15％；以及作为骨架材料的MgO所占比例5％；余量为纳米α-Al₂O₃；所述纳米ZrO₂(2Y)为掺杂包覆2％稀土钇的氧化锆先驱体；所述MgO为亚微米级粉体，粒度为0.1-1μm；所述纳米α-Al₂O₃纯度为99％以上纳米氧化铝粉体，粒度为50-200nm；所述SiC晶须的长度为200～500μm。

2.如权利要求1所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料，其特征在于：所述SiC增韧晶须的制备方法如下：采用质量百分数为5％的聚甲基丙烯酸铵溶液，室温下浸泡200～500μm的SiC晶须90～120min，对SiC晶须进行表面改性，制得SiC增韧晶须。

3.如权利要求1所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料，其特征在于：所述纳米ZrO₂(2Y)先驱体的制备方法如下：a)首先按体积比为1:1，将浓度为30-35g/L的ZrOCl₂的水溶液倒入浓度为1.5-3.5g/L的羟丙基纤维素的醇水混合溶液里面，醇水混合溶液中乙醇和水的体积比1:1，搅拌均匀得到混合溶液1；b)把步骤a中的混合溶液1加热煮沸，然后用体积百分浓度为30％的氨水中和至pH值为7-8，制备出水合二氧化锆ZrO₂·nH₂0溶液；c)按照2％质量百分含量的比例，把Y(OH)₃加入到步骤b的ZrO₂·nH₂0溶液中，在800-850℃煅烧1-2h后，制备出纳米ZrO₂(2Y)的先驱体。

4.如权利要求1所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)按比例称取α-Al₂O₃和纳米ZrO₂(2Y)先驱体置于碱性水溶液搅拌混合，制备出α-Al₂O₃和ZrO₂(2Y)的高分散，均混合两相水悬浮液；

2)将步骤(1)制得的两相水悬浮液煅烧成粉末；

3)按比例将SiC增韧晶须、步骤(2)制得的粉末和MgO粉体，混合均匀，压制成型，高温真空烧结，随炉冷却，制得所述陶瓷材料。

5.如权利要求4所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的碱性水溶液为pH值为9.2～9.5的NaOH水溶液或氨水溶液。

6.如权利要求4所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，煅烧温度为700～750℃，煅烧时间为2～3h。

7.如权利要求4所述的一种高韧高强远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，压制成型的压力为100～500Mpa，保压时间为1～10min，烧结温度为1600～1800℃，烧结时间为1.5～3h，真空度小于1×10^-2Pa。