CN103880458A - 一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无机耐火材料领域，涉及一种以超高温氧化锆陶瓷纤维为增强材料的高抗热冲击99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，以99氧化铝陶瓷为基相，以超高温氧化锆陶瓷纤维为增强材料。本发明制备的99氧化铝陶瓷坩埚具有高抗热冲击性能。

Description

一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法

技术领域

本发明涉及一种以99氧化铝陶瓷为基础相，以超高温氧化锆陶瓷纤维为增强相制备陶瓷坩埚的方法，属于无机耐火材料领域。 

背景技术

氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度和良好的抗氧化和化学稳定性，是一种用途广泛的工程陶瓷。但氧化铝基陶瓷材料是以离子键和共价键结合，位错势垒很高，材料脆性大，难以承受剧烈的热冲击，即抗热冲击能较差。在高温环境下使用的陶瓷材料需要经受力和应力循环的作用，环境介质的侵蚀和冲刷以及温度骤变的热震冲击等，从设计的角度不但要考虑材料的温度水平还要考虑承受热冲击的能力。由于温度的急剧变化引起的热冲击很大，如果材料具有塑性就可以削减应力峰，缓和应力集中，吸收冲击力，防止裂纹的萌生和拓展。陶瓷材料不仅几乎没有塑性，而且一般导热较差，温度的变化引起的应力梯度大，陶瓷在热冲击条件下，由于各向异性膨胀系数造成的热应力会高达80～100MPa。因此，热冲击断裂与损伤是工程陶瓷失效的主要方式之一，也是评价工程陶瓷材料使用性能的一项重要性能指标，研究陶瓷材料的抗热震性能对于实际使用具有非常重要的意义。 

通过在氧化铝陶瓷中加入氧化锆陶瓷纤维，提高陶瓷基体的抗弯强度和断裂韧性，在一定程度上提高基体的气孔率，提高氧化铝陶瓷的抗热冲击性能。 

发明内容

本发明为了弥补现有99氧化铝陶瓷坩埚热震性能差，提供了一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，制备的坩埚抗热冲击性能高。 

本发明是通过以下技术方案实现的：

   一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，包括以下步骤：

(1)制浆：将熔融的99氧化铝蜡浆（石蜡重量比含量15%）与超高温氧化锆陶瓷短纤维按质量比1：0～0.1比例置于慢速搅拌机中，搅拌4小时。搅拌均匀的蜡浆进行真空脱气。

(2)热压铸成型：将料浆加入热压铸机中，热压铸成型。 

(3)排蜡：将热压铸好的坩埚放入排蜡炉中进行排蜡。 

(4)烧成：将排完蜡的坩埚进行修坯，放入高温炉中烧成。 

所述99氧化铝蜡饼的制备分为以下步骤： 

（1）99氧化铝陶瓷粉料过80—120目，并且加入烧结助剂，将配成的粉料在110～140℃下烘干至水含量小于0.1%；

（2）将烘干后的粉料加入球磨机，加入0.5～1.5%的油酸，球磨20～24h，当粉磨后的粉料能通过250目筛时出球磨机，然后过120目筛，除去杂质，放入烘干箱中烘干；

（3）取相对于99氧化铝陶瓷粉料的重量比为15～20%的石蜡加热熔化，而后加入重量比为0.5～1.5%的油酸以保证料浆的流动性，搅拌至料浆混合均匀后充分排气，料浆冷却后制成蜡饼备用。

所述的超高温氧化锆陶瓷短纤维采用以下步骤制备： 

(1)按照氧化钇：氧化锆摩尔比=10%：90%的比例称取硝酸钇和碳酸锆溶于去离子水中，水的用量为硝酸钇和碳酸锆总质量的3倍；按照碳酸锆：硝酸摩尔比=1：4量取硝酸，并在室温（15℃～45℃）和搅拌条件下，将硝酸加入到碳酸锆和硝酸钇的混合溶液中，加完后继续搅拌1～2小时，得到无色透明反应液，即为含钇锆离子的复合聚合溶液。

 (2)减压浓缩得到的钇锆复合溶胶纺丝液粘度在2～25 Pa·s范围内； 

 (3)采用离心盘甩丝法纺丝，获得无序堆积的含钇锆离子复合的聚合水合物纤维；在特殊气氛下，进行热处理，获得立方相氧化锆晶体纤维；所述特殊气氛是氮气、水蒸汽或它们的混合气体气氛。

所述的超高温氧化锆陶瓷短纤维经过900-1500℃高温处理。 

所述的高温处理步骤为：使用程序控温的高温电炉，采用阶梯保温的烧成曲线烧成纤维；具体烧成曲线为：室温 –1200℃ 240分钟；1200℃保温10分钟，1200-1500℃ 200分钟；1500-1250℃20分钟；1250℃保温120-240分钟；1250℃-室温 500分钟。 

 所述的超高温氧化锆陶瓷纤维的质量分数小于10%，长度在500微米以下 

所述的高温炉为空气气氛电炉、氮氢气氛电炉、真空试验电炉和工业燃气炉中的一种。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果： 

(1) 本发明制备的氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚，在抗热冲击性能上比普通坩埚有相当大的提高。

(2) 本发明制备的氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝坩埚，在强度上比普通坩埚有了相当大的提高。 

(3) 本发明制备的氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝坩埚，在高温环境中比普通坩埚更洁净。 

附图说明

  图1、图2为本发明制备的氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝坩埚数码照片。图3为坩埚的扫描照片。 

具体实施方式

实施例1

本发明所述的超高温氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚采用以下步骤：

(1) 99氧化铝蜡饼制备：

A、99氧化铝陶瓷粉料过80—120目，并且加入烧结助剂（如MgCO₃等，用以降低烧结温度，抑制晶体的生长），并且将配成的粉料在110～140℃下烘干3～4小时，去掉水分，使水含量小于0.1%。

B、将烘干后的粉料加入球磨机，加入0.5～1.5%的油酸（辅助分散，起助磨剂的作用），球磨20～24h，当粉磨后的粉料可以通过250目筛时方可以出球磨机，然后过120目筛，除去杂质，放入烘干箱中烘干。 

C、将15%左右的石蜡加热熔化后搅拌，同时加入0.5～1.5%的油酸以保证料浆流动性。在70～80℃范围内先快搅2h，再慢速搅拌4h，使料浆混合均匀，充分排气。料浆在专用模具盒中冷却制成蜡饼备用。 

(2)    制备超高温氧化锆陶瓷短纤维： 

A、按照氧化钇：氧化锆摩尔比=10%：90%的比例称取硝酸钇和碳酸锆溶于去离子水中，水的用量为硝酸钇和碳酸锆总质量的2-5倍；按照碳酸锆：硝酸摩尔比=1：4-5量取硝酸，并在室温（15℃～45℃）和搅拌条件下，将硝酸加入到碳酸锆和硝酸钇的混合溶液中，加完后继续搅拌1～2小时，得到无色透明反应液，即为含钇锆离子的复合聚合溶液。

B、减压浓缩得到的钇锆复合溶胶纺丝液粘度在2～25 Pa·s范围内； 

C、采用离心盘甩丝法纺丝，甩丝环境温度90℃，甩丝电机转速4600-7000r/min，甩丝盘边缘速度20-30m/s，获得无序堆积的含钇锆离子复合的聚合水合物纤维；在特殊气氛下，进行热处理，获得立方相氧化锆晶体纤维；所述特殊气氛是氮气、水蒸汽或它们的混合气体气氛。

D、将含锆有机聚合物纤维置于气氛程控炉内，在有机蒸汽气氛下，以1℃/min的升温速度，在室温～1200℃的温度范围内进行热处理，获得全稳定立方相氧化锆晶体纤维； 

E、使用梭式窑对处理过的纤维进行1700度高温处理，可获得纯净的、晶粒发育充分的全稳定立方相氧化锆晶体纤维，直径 5-20μm，长度1-10cm。

(3) 将全稳定立方相氧化锆纤维10克，使用切丝机短切至500微米以下，加入到融化好的100g蜡饼中，慢速搅拌4小时，然后进行真空脱气，热压成100ml坩埚，用排蜡炉进行排蜡，修坯，使用高温炉以2℃/min加热至1620℃，测试气孔率25%，平均抗热冲击（从1000℃环境中拿出放入常温的水中，从水中拿出烘干后直接放入1000℃的环境中保温30分钟）次数75次。 

实施例2

同实施例1所述，不同之处在于将升温速率由2℃/min该为1℃/min升温至1620℃，测试气孔率24.5%，平均抗热冲击次数79次。

实施例3

同实施例1所述，不同之处在于以1℃/min升温至1550℃，测试气孔率29%，平均抗热冲击次数20次。

实施例4

同实施例1所述，不同之处在于以1℃/min升温至1600℃，测试气孔率22%，平均抗热冲击次数47。

实施例5 

同实施例1所述，不同之处在于氧化锆陶瓷纤维由10g改为12g，以1℃/min升温至1620℃，测试气孔率28.5%，平均抗热冲击次数23次。

实施例6 

同实施例1所述，不同之处在于氧化锆陶瓷纤维由10g改为7g，以1℃/min升温至1620℃，测试气孔率23.8，平均抗热冲击次数50次

实施例7

同实施例6所述，不同之处在于以1℃/min升温至1600℃，测试气孔率25.8%,平均抗热冲击次数46次

实施例8

同实施例6所述，不同之处在于以2℃/min升温至1600℃，测试气孔率为26%，平均抗热冲击次数25次。

实施例9 

同实施例1所述，不同之处在于氧化锆陶瓷纤维由10g改为3g，以1℃/min升温至1620℃，测试气孔率为19%，平均抗热冲击次数为38次。

实施例10 

同实施例9所述，不同之处在以2℃/min升温至1620℃，测试气孔率为19.8%，平均抗热冲击次数39次。

实施例11 

     同实施例6所述，不同之处在于以1℃/min升温至1580℃，测试气孔率为21%，平均抗热冲击次数25次。

实施例12 

     同实施例1所述，不同之处在于氧化锆陶瓷纤维由10g变为0g，以1℃/min升温至1620℃，测试气孔率为12%，平均抗热冲击次数10次。

实施例13 

     同实施例12所述，不同之处在于以1℃/min升温至1580℃，测试气孔率为16%，平均抗热冲击次数11次。

Claims (10)

1.一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制浆：将99氧化铝蜡饼熔融后的蜡浆与超高温氧化锆陶瓷短纤维按质量比1：0～0.1比例置于慢速搅拌机中，搅拌均匀后的蜡浆进行真空脱气；

(2)热压铸成型：将料浆加入热压铸机中，热压铸成型；

(3)排蜡：将热压铸好的坩埚放入排蜡炉中进行排蜡；

(4)烧成：将排完蜡的坩埚进行修坯，放入高温炉中烧成。

2.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述99氧化铝蜡饼的制备分为以下步骤：

（1）99氧化铝陶瓷粉料过80—120目，并且加入烧结助剂，将配成的粉料在110～140℃下烘干至水含量小于0.1%；

（2）将烘干后的粉料加入球磨机，加入0.5～1.5%的油酸，球磨20～24h，当粉磨后的粉料能通过250目筛时出球磨机，然后过120目筛，除去杂质，放入烘干箱中烘干；

（3）取相对于99氧化铝陶瓷粉料的重量比为15～20%的石蜡加热熔化，而后加入重量比为0.5～1.5%的油酸以保证料浆的流动性，搅拌至料浆混合均匀后充分排气，料浆冷却后制成蜡饼备用。

3.根据权利要求2所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：具体过程如下：

将熔融后的99氧化铝蜡浆与超高温氧化锆陶瓷短纤维按比例混合并搅拌均匀后，进行真空脱气，将制备好的混合料浆加入到成型机中，用尼龙棒人工拔气10-20分钟，使料浆的温度在60～80℃时热压铸成型，成型的压力为6～8个大气压；然后将热压铸成型好的坩埚坯体进行细致的修整然后排蜡；将排蜡之后完好的坩埚置于高温炉中烧成。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述超高温氧化锆陶瓷短纤维采用以下步骤制备：

（1）按照氧化钇：氧化锆摩尔比=10%：90%的比例称取硝酸钇和碳酸锆溶于去离子水中，去离子水的用量为硝酸钇和碳酸锆总质量的3倍；按照碳酸锆：硝酸摩尔比=1：4量取硝酸，并在室温搅拌条件下，将硝酸加入到碳酸锆和硝酸钇的混合溶液中，加完后继续搅拌1～2小时，得到无色透明反应液，即为含钇锆离子的复合聚合溶液；

 (2)减压浓缩得到的钇锆复合溶胶纺丝液粘度在2～25 Pa·s范围内；

 (3)采用离心盘甩丝法纺丝，获得无序堆积的含钇锆离子复合的聚合水合物纤维；在特殊气氛下，进行热处理，获得立方相氧化锆晶体纤维；所述特殊气氛是氮气、水蒸汽或它们的混合气体气氛。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述的超高温氧化锆陶瓷短纤维经过900-1500℃温度处理。

6.根据权利要求5所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述的处理步骤为：使用程序控温的高温电炉，采用阶梯保温的烧成曲线烧成纤维；具体烧成曲线为：室温 –1200℃ 240分钟；1200℃保温10分钟，1200-1500℃ 200分钟；1500-1250℃20分钟；1250℃保温120-240分钟；1250℃-室温 500分钟。

7.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述的超高温氧化锆陶瓷短纤维的质量分数小于10%。

8.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：所述的超高温氧化锆陶瓷短纤维长度在500微米以下。

9.根据权利要求3所属的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：排蜡温度在900～1100℃，排蜡时间40-60小时。

10.根据权利要求3所属的一种氧化锆陶瓷纤维增强99氧化铝陶瓷坩埚的制备方法，其特征在于：坩埚的烧成温度为1500—1650℃，烧成时间为50—75小时。

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