CN103922706B - 一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，由以氧化锆和氧化铝形成的复合基体、以及添加剂组成；所述复合基体中含氧化锆18～22wt%；相对于复合基体，所述添加剂的组成为Y2O30.5～1.5wt%、TiO22.5～5.0wt%、硅酸盐熔块0.2～3.0wt%。此外还公开了上述氧化锆-氧化铝复合材料的制备方法。本发明复合材料既能保持较低密度、又能在低温下烧结并获得优异的力学性能，显著提高了ZTA材料的使用性能、扩大了其应用范围；而且制备方法能耗低、工艺简单、适宜于工业化规模的生产，从而能够更好地促进ZTA材料的应用和发展。

Description

一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属复合材料技术领域，尤其涉及一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料及其制备方法。
背景技术
随着工业技术的发展，小比重高强度材料的应用越来越受到重视，如钛合金（ρ≈4.5g/cm3）在军事领域以及铝合金（ρ≈2.8g/cm3）在民用领域都已经逐步替代大比重的铁合金（ρ≈8.0g/cm3）的使用，这一趋势也逐渐影响着无机非金属材料的使用和发展。相对于金属材料，无机非金属材料在高温下具有良好的结构特性，因而其应用领域广泛，并且在某些尖端领域也有着极其重要的作用，如导弹的整流罩、飞船的隔热瓦等。
氧化铝作为较早开始利用的无机非金属材料，具有较低的比重（ρ=3.95g/cm3）和良好的高温稳定性（可在高达1400℃的环境中使用），因此被用作高温结构件，但是其抗折强度和断裂韧性都较低，从而限制了该种材料的应用范围。氧化锆的抗折强度则高达1200MPa，被称为“陶瓷钢”，其优异的高温稳定性使得其应用领域广泛，但其较高的密度（ρ=6.12g/cm3）会使制成品的重量显著提高，在运输和使用时消耗大量能量，与当前社会的可持续发展和节能环保战略相悖。
Garive等于1975年首次发现添加部分氧化锆，在不大幅提高制品密度的情况下可大大加强氧化铝的抗折强度和断裂韧性，这种氧化锆-氧化铝复合材料（ZTA）力学性能的提高被认为是相变增韧和微裂纹增韧共同作用的结果。在制备过程中，ZTA中的氧化铝和氧化锆均需要经过高温烧结，尤其是氧化铝，烧结温度高达1600～1700℃，同时，由于两者的晶型结构差异巨大，几乎无法固溶，因此难以实现共同烧结，随着组分中氧化铝含量的提高，烧结温度急剧上升，虽然目前有热压或热等静压工艺能降低ZTA的烧结温度，但由于高度分散的氧化锆对氧化铝晶界的钉扎作用，其降温幅度有限，而且设备复杂、能耗较高，使得相关研究仅停留在实验室阶段，不适宜大规模生产。为此，近年来研究开发了以下两种助烧途径：
一、进一步提高粉体活性，即使用纳米级粉体制备ZTA。但是纳米粉体比表面积大，易于团聚，对ZTA中两种组分的均匀分散不利；同时，超细粉体的制备需要消耗大量的能源，费效比很高，而且给环境带来一定的危害。
二、使用烧结助剂，与ZTA基体形成局部固溶体或液相，加快传质速度，促进晶粒生长，从而降低烧结温度。
相比而言，第二种方法对粉体质量要求不高，制备工艺简单、成本低，适合于工业化生产。然而，尽管目前研究使用的添加助剂种类繁多，但仍然无法在ZTA的低密度和高强度上、以及低温烧结上取得良好的平衡，而且有些助剂的添加改变了烧结体的颜色，从而也限制了ZTA的应用。总之，目前所研究开发的技术仍然难以为ZTA材料的生产应用和发展带来突破。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种既能保持较低密度、又能在低温下烧结并获得优异力学性能、颜色白净的低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，以显著提高ZTA材料的使用性能、扩大其应用范围。本发明的另一目的在于提供上述氧化锆-氧化铝复合材料的制备方法，以实现能耗低、工艺简单、适宜于工业化规模的生产，从而更好地促进ZTA材料的应用和发展，并为节能减排和经济社会的可持续发展做出贡献。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，由以氧化锆和氧化铝形成的复合基体、以及添加剂组成；所述复合基体中含氧化锆18～22wt%；相对于复合基体，所述添加剂的组成为Y2O30.5～1.5wt%、TiO22.5～5.0wt%、硅酸盐熔块0.2～3.0wt%。
进一步地，本发明所述硅酸盐熔块为CaO-MgO-Al2O3-SiO2复合体系，具体可采用以下组成：CaO5～15wt%、MgO22～30wt%、Al2O38～14wt%、余量为SiO2。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述氧化锆与氧化铝进行湿法机械混合，得到混合均匀的一次混合物浆料；
(2)对所述一次混合物浆料进行喷雾造粒，得到一次混合物粉体；
(3)向所述一次混合物粉体中添加Y2O3、TiO2和硅酸盐熔块，并以纯水为介质进行湿法机械混合，混合均匀后得到二次混合物浆料；
(4)将所述二次混合物浆料进行喷雾干燥，得到二次混合物粉体；
(5)将所述二次混合物粉体压制成型后，在1350～1450℃温度下烧结成瓷，即得到密度为4.2～4.3g/cm3、抗折强度为450～800Mpa的氧化锆-氧化铝复合材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明ZTA材料既能保持较低的密度（为铁合金的53%、氧化锆的68%、钛合金的95%），又能在低温下实现烧结并获得优良的力学性能（与1700℃以上烧结的ZTA相近甚至更高）；而且ZTA材料的颜色没有变化，颜色白净，使用性能优异，显著扩大了ZTA的应用范围。
(2)本发明制备方法操作简便，原料来源广泛、耗能低、生产成本低廉、节能减排效果明显，便于推广和应用，能够有效地促进ZTA材料的应用和发展。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料的SEM照片。
具体实施方式
本发明实施例一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，以氧化锆和氧化铝的复合物为复合基体，并在此基础上添加Y2O3、TiO2和硅酸盐熔块而形成，其中硅酸盐熔块为CaO-MgO-Al2O3-SiO2复合体系。本发明各实施例低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，其组成如表1所示。
表1本发明实施例低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料的组成
硅酸盐熔块由CaO、MgO、Al2O3和SiO2组成，其制备方法如下：将其组成按照表1所示配比进行配料，经球磨混合、干燥后，快速升温加热至1500℃并保温2h，然后将此温度下的熔体直接进行淬冷处理，得到硅酸盐熔块，将其球磨干燥后即可用于添加。
本发明上述各实施例低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将氧化锆与氧化铝按照表1所示配比进行湿法机械混合，得到混合均匀的一次混合物浆料；
(2)对一次混合物浆料进行喷雾造粒，得到一次混合物粉体；
(3)按照表1所示配比向一次混合物粉体中添加Y2O3、TiO2和硅酸盐熔块，并以纯水为介质进行湿法机械混合，混合均匀后得到二次混合物浆料；
(4)将二次混合物浆料进行喷雾干燥，得到二次混合物粉体；
(5)将二次混合物粉体压制成型后置于马弗炉中在1350～1450℃温度下保温2～3h烧结成瓷，即得到密度为4.2～4.3g/cm3、抗折强度为450～800Mpa的氧化锆-氧化铝复合材料。
本发明上述各实施例的烧结温度以及所得氧化锆-氧化铝复合材料的性能如表2所示。
表2本发明实施例烧结温度及其氧化锆-氧化铝复合材料的性能
实施例 烧结温度（℃） 烧结密度（g/cm3） 抗折强度（Mpa）
实施例一 1350 4.22 576
实施例二 1400 4.30 783
实施例三 1360 4.27 626
实施例四 1390 4.29 462
实施例五 1420 4.29 534
实施例六 1390 4.20 538
实施例七 1360 4.25 649
实施例八 1450 4.27 726
实施例九 1410 4.25 800
实施例十 1430 4.26 525
对比例 1450 3.99 158
从表2结果可以看出，本发明ZTA材料既能保持较低密度、又能在低温下实现烧结并获得优异的力学性能；而且显微结构良好、组分均匀、晶界清晰（见图1）。由于制备过程操作简便，耗能低，因而便于推广应用和工业化生产，能够有效地促进ZTA材料的应用和发展。

Claims (2)

1.一种低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料，由以氧化锆和氧化铝形成的复合基体、以及添加剂组成；其特征在于：所述复合基体中含氧化锆18～22wt％；相对于复合基体，所述添加剂的组成为Y2O30.5～1.5wt％、TiO22.5～5.0wt％、硅酸盐熔块0.2～3.0wt％；所述硅酸盐熔块为CaO-MgO-Al2O3-SiO2复合体系，其组成为：CaO5～15wt％、MgO22～30wt％、Al2O38～14wt％、余量为SiO2。
2.权利要求1所述低温烧结小比重高强度氧化锆-氧化铝复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将所述氧化锆与氧化铝进行湿法机械混合，得到混合均匀的一次混合物浆料；
(2)对所述一次混合物浆料进行喷雾造粒，得到一次混合物粉体；
(3)向所述一次混合物粉体中添加Y2O3、TiO2和硅酸盐熔块，并以纯水为介质进行湿法机械混合，混合均匀后得到二次混合物浆料；
(4)将所述二次混合物浆料进行喷雾干燥，得到二次混合物粉体；
(5)将所述二次混合物粉体压制成型后，在1350～1450℃温度下烧结成瓷，即得到密度为4.2～4.3g/cm3、抗折强度为450～800MPa的氧化锆-氧化铝复合材料。
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