CN103755341B - 一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料，包含如下摩尔份配比的组分：ZrO2100份、Y2O32～4份、CeO22～10份、Al2O34～12份、TiO20.2～2份。本发明还公开了一种制备上述陶瓷材料的方法，以及以上述陶瓷材料为阀芯和阀座的球阀。本发明的陶瓷材料不仅具有良好的力学性能，尤其具有优异的耐酸腐蚀性，且制备方法简单。

Description

一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐酸腐蚀的陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
氧化锆复合陶瓷材料具有高韧性、高抗弯强度、高耐磨性和良好的隔热性能，因此被广泛应用于结构陶瓷领域，例如以氧化锆陶瓷为材料制备Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座等构件。有些构件（例如球阀）往往需要在强酸性环境中工作，因而对氧化锆复合陶瓷材料提出了更高的耐酸腐蚀性能要求。
目前人们关注更多的是氧化锆陶瓷材料作为工程材料的优异力学性能，然而对其耐腐蚀性方面的研究还比较少。
因此，需要一种能够耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法，以及耐酸腐蚀的球阀产品。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料。
本发明的目的之二在于提供一种制备上述氧化锆复合陶瓷材料的方法。
本发明的目的之三在于提供一种耐酸腐蚀的球阀。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料，包含如下摩尔份配比的组分：
ZrO2100份、Y2O32～4份、CeO22～10份、Al2O34～12份、TiO20.2～2份。
优选地，所述氧化锆复合陶瓷材料包含如下摩尔份配比的组分：
ZrO2100份、Y2O33～4份、CeO25～6份、Al2O37～9份、TiO21.2～1.5份。
一种制备上述陶瓷材料的方法，包括：
（1）将所述ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，预烧，得ZrO2-Y2O3预烧物；
（2）将所述ZrO2-Y2O3预烧物与所述CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内进行湿磨，得原料混合物；
（3）将所述原料混合物烘干，加入有机粘结剂，加压成型，得成型样品；
（4）将所述成型样品放入烧结炉中进行无压烧结，即得。
优选地，步骤（1）所述湿磨的时间为4～10h，预烧温度为1550℃～1650℃，预烧时间为2～4h。
优选地，步骤（2）所述湿磨的时间为2～8h。
优选地，步骤（3）所述有机粘结剂选自石蜡或聚乙烯。
优选地，步骤（4）所述无压烧结的条件为：先以4～6℃/min升温到900～1100℃，再以8～10℃/min升温到1400～1500℃，保持恒温2～6h，然后自然冷却到室温。
本发明还提供一种耐酸腐蚀球阀，所述球阀的阀芯和/或阀座是由根据上述方法制得的氧化锆复合陶瓷材料制成的。
本发明中，Al2O3和CeO2的添加及其特定的含量配比是氧化锆复合陶瓷材料具有优异耐酸腐蚀性能的关键。适量的Al2O3可以阻止Zr4+扩散和晶界迁移，抑制四方ZrO2晶粒长大，并起到颗粒增强的作用，有效阻止腐蚀由表面向内部扩展；适量的CeO2可以提高氧化锆复合陶瓷的相稳定性，有效地降低了材料的腐蚀速率，使得本发明的氧化锆复合陶瓷材料不仅具有高韧性、高抗弯强度、高耐磨性和良好的隔热性能，而且具有优异的耐酸腐蚀性能，适用于作为制备需要在酸环境下工作的产品的材料。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行进一步说明，但这些实施例并不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
采用如下方法制备氧化锆复合陶瓷材料：
以摩尔份数计，取ZrO2100份、Y2O33份、CeO25份、Al2O38份、TiO21.5份。首先将ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，在1600～1610℃下预烧，保温4h，得ZrO2-Y2O3预烧物，然后与CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内湿磨8h，得原料混合物，烘干，加入石蜡混合，加压成型，然后置于烧结炉中进行无压烧结，先以4～6℃/min升温到1090～1100℃，再以8～10℃/min升温到1450～1470℃，恒温保温5h，自然冷却到室温，即得。
所得氧化锆复合陶瓷材料的性能参数见表1。
实施例2
采用如下方法制备氧化锆复合陶瓷材料：
以摩尔份数计，取ZrO2100份、Y2O34份、CeO25份、Al2O39份、TiO21.5份。首先将ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，在1600～1610℃下预烧，保温4h，得ZrO2-Y2O3预烧物，然后与CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内湿磨7h，得原料混合物，烘干，加入石蜡混合，加压成型，然后置于烧结炉中进行无压烧结，先以4～6℃/min升温到970～1000℃，再以8～10℃/min升温到1490～1500℃，恒温保温6h，自然冷却到室温，即得。
所得氧化锆复合陶瓷材料的性能参数见表1。
实施例3
采用如下方法制备氧化锆复合陶瓷材料：
以摩尔份数计，取ZrO2100份、Y2O34份、CeO26份、Al2O38份、TiO21.4份。首先将ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，在1600～1610℃下预烧，保温4h，得ZrO2-Y2O3预烧物，然后与CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内湿磨7～8h，得原料混合物，烘干，加入聚乙烯混合，加压成型，然后置于烧结炉中进行无压烧结，先以4～6℃/min升温到1000～1050℃，再以8～10℃/min升温到1400～1450℃，恒温保温4h，自然冷却到室温，即得。
所得氧化锆复合陶瓷材料的性能参数见表1。
实施例4
采用如下方法制备氧化锆复合陶瓷材料：
以摩尔份数计，取ZrO2100份、Y2O34份、CeO26份、Al2O39份、TiO21.4份。首先将ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，在1600～1610℃下预烧，保温4h，得ZrO2-Y2O3预烧物，然后与CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内湿磨7～8h，得原料混合物，烘干，加入聚乙烯混合，加压成型，然后置于烧结炉中进行无压烧结，先以4～6℃/min升温到1090～1100℃，再以8～10℃/min升温到1490～1500℃，恒温保温6h，自然冷却到室温，即得。
所得氧化锆复合陶瓷材料的性能参数见表1。
表1实施例1-4所得氧化锆复合陶瓷材料性能
说明：①耐酸度的测试方法：先将氧化锆复合陶瓷材料制成3×1×1cm3的小方块试样，在恒温箱中干燥至恒重，用瑞士梅特勒AL204电子天平（精度为0.1mg）进行称量，试样质量记为m1（g）；然后将试样放入锥形瓶中，加入浓盐酸（31%），液面高出试样5cm，装上冷凝器，放在电炉上煮沸1h后，冷却至室温，并在恒温箱中干燥至恒重，用AL204电子天平进行称量，质量记为m2（g）。试样耐酸度按下式计算：
耐酸度=m1/m2×100%
同一样品应同时试验多个试样（3～5个），最后将多个试样的试验结果进行算术平均，作为材料的耐酸度。
抗弯强度、断裂韧性、耐磨性和洛氏硬度以常规方法测定。

Claims (6)

1.一种耐酸腐蚀的氧化锆复合陶瓷材料，包含如下摩尔份配比的组分：ZrO2100份、Y2O32～4份、CeO22～10份、Al2O34～12份、TiO20.2～2份；
其中，所述复合陶瓷的制备方法包括：
(1)将所述ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，预烧，得ZrO2-Y2O3预烧物；其中，湿磨的时间为4～10h，预烧温度为1550℃～1650℃，预烧时间为2～4h；
(2)将所述ZrO2-Y2O3预烧物与所述CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内进行湿磨，得原料混合物；
(3)将所述原料混合物烘干，加入有机粘结剂，加压成型，得成型样品；
(4)将所述成型样品放入烧结炉中进行无压烧结，即得所述复合陶瓷材料；所述无压烧结的条件为：先以4～6℃/min升温到900～1100℃，再以8～10℃/min升温到1400～1500℃，保持恒温2～6h，然后自然冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，包含如下摩尔份配比的组分：ZrO2100份、Y2O33～4份、CeO25～6份、Al2O37～9份、TiO21.2～1.5份。
3.一种制备权利要求1或2所述的氧化锆复合陶瓷材料的方法，包括：
(1)将所述ZrO2和Y2O3混合湿磨，干燥，预烧，得ZrO2-Y2O3预烧物；其中，湿磨的时间为4～10h，预烧温度为1550℃～1650℃，预烧时间为2～4h；
(2)将所述ZrO2-Y2O3预烧物与所述CeO2、Al2O3和TiO2混合，置于球磨机内进行湿磨，得原料混合物；
(3)将所述原料混合物烘干，加入有机粘结剂，加压成型，得成型样品；
(4)将所述成型样品放入烧结炉中进行无压烧结，即得所述复合陶瓷材料；所述无压烧结的条件为：先以4～6℃/min升温到900～1100℃，再以8～10℃/min升温到1400～1500℃，保持恒温2～6h，然后自然冷却到室温。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述湿磨的时间为2～8h。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述有机粘结剂选自石蜡或聚乙烯。
6.一种耐酸腐蚀球阀，所述球阀的阀芯和/或阀座是由根据权利要求3-5任一项所述的方法制得的氧化锆复合陶瓷材料制成的。
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