CN103922744A

CN103922744A - 一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法

Info

Publication number: CN103922744A
Application number: CN201410094171.5A
Authority: CN
Inventors: 魏臻; 张志梅; 刘学文; 张岷; 郭富; 张洪涛; 刘京亮; 魏少帅; 汤志钦
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-07-16

Abstract

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤如下：1）将氧化锆、氧化铝和二氧化钛晶须颗粒状中加入无水乙醇湿法球磨，烘干后与聚乙烯醇溶液混合，加入氧化钇和磷酸镧混合均匀，干燥后真空高温下热固成型，将制得纳米黑瓷材料研磨成粉末；2）将SiC和BN颗粒状原料加入无水乙醇湿法球磨，烘干后与上述纳米黑瓷材料粉末混合均匀，装在石墨模具中放入热压炉中在真空高温下进行二次烧结，保温后即可制得高韧性纳米黑瓷材料。本发明的优点是：该制备方法采用原位合成，添加氧化钇为稳定剂，既能细化颗粒，又可以降低烧结温度，工艺简单、易于操作、成本低，制备的纳米黑瓷材料韧性高、抗热震性强，可取代金属用于太阳能集热板。

Description

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米黑瓷材料，特别是一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法。

背景技术

传统的太阳能集热器，用金属做集热板，金属易被腐蚀、生锈，因而寿命仅几年且成本较高。新型的太阳能陶瓷集热器以其不透水、不渗水、不老化、不腐蚀等优点被广大消费者看好，但一般的陶瓷集热器热基板韧性较低、抗热震性差、不易加工、热传导性较差，这些缺点限制了其在市场的广泛推广。因此，制造高韧性，抗震热性好且导热性好的太阳能陶瓷集热板，这必然是太阳能集热器的一次重大的革命。

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料，其在强度、韧性即导热性都有大幅度的提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学等性能产生重要影响。以纳米陶瓷材料为基体，添加钒钛尾渣做成的纳米黑瓷不仅使其吸热性能提高，再添加氧化锆二氧化钛，碳化硅，氮化硼等颗粒，在一定的实验条件下烧结而成的复合纳米黑瓷材料在韧性，抗热震性上都有很大的突破。

发明内容

本发明的目的是针对传统纳米陶瓷材料在韧性方面的不足之处，提供一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，该方法工艺简单、易于操作、成本低，制备的纳米黑瓷材料韧性高、抗热震性强，可以取代金属用于太阳能集热板，有利于太阳能加热器的大规模生产。

本发明的技术方案：

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤如下：

1）将氧化锆、氧化铝和二氧化钛晶须颗粒状固体原料置于球磨罐中，加入无水乙醇后用Al2O3球湿法球磨24 h，烘干后将得到的粉末状混合物与聚乙烯醇(PVA)溶液混合,干燥、研磨成粉末后，均匀的分散到纳米陶瓷材料中，同时加入氧化钇和磷酸镧并混合均匀，干燥后在真空度为100Pa、800-1000℃条件下热固成型，将制得纳米黑瓷材料研磨成粉末备用；

2）将SiC 和BN颗粒状原料放入容器中,加入无水乙醇混合后用Al2O3球湿法球磨24h，烘干后将得到的粉末状混合物与上述纳米黑瓷材料粉末混合均匀，装在涂有BN的石墨模具中,放入热压炉中在真空度为100Pa、1000-1200℃条件下进行二次烧结, 在压力为23Mpa下保温2h,即可制得高韧性纳米黑瓷材料。

所述氧化锆、氧化铝、二氧化钛晶须的质量百分比为55-70%、10-15%、二氧化钛晶须为余量，固体原料总量与无水乙醇的用量比为1g：10mL；粉末状混合物与聚乙烯醇(PVA)溶液的体积比为1：1；固体原料总量与氧化钇和磷酸镧的质量比为10：0.5：0.5。

所述SiC 和BN的体积百分比为80 %：20%，颗粒状原料总量与无水乙醇的用量比为1g：10mL。

所述颗粒状原料总量与纳米黑瓷材料粉末的质量比为1：0.5-1。

本发明的优点和有益成果：该制备方法采用原位合成，添加氧化钇为稳定剂，既能细化颗粒，又可以降低烧结温度，工艺简单、易于操作、成本低，制备的纳米黑瓷材料韧性高、抗热震性强，可以取代金属用于太阳能集热板，有利于太阳能加热器的大规模生产。

具体实施方案

实施例1：

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤如下：

1）将3.5g氧化锆、0.5g氧化铝和1g二氧化钛晶须颗粒状固体原料置于球磨罐中，加入50mL无水乙醇后用Al2O3球湿法球磨24 h，烘干后将得到的粉末状混合物与聚乙烯醇(PVA)溶液按体积比为1：1混合,干燥、研磨成粉末后，均匀的分散到纳米陶瓷材料中，同时加入2.5g氧化钇和2.5g磷酸镧并混合均匀，干燥后在真空度为100Pa、1000℃条件下热固成型，将制得纳米黑瓷材料研磨成粉末备用；

2）将8g SiC 和2g BN颗粒状原料放入容器中,加入100mL无水乙醇混合后用Al2O3球湿法球磨24h，真空烘干12h后将得到的粉末状混合物与上述纳米黑瓷材料粉末混合均匀，装在涂有BN的石墨模具中,放入热压炉中在真空度为100Pa、1000℃条件下进行二次烧结, 在压力为23Mpa下保温2h,即可制得高韧性纳米黑瓷材料。

通过电子显微镜观察制得的高韧性纳米黑瓷材料，与普通瓷器碎片比较，该瓷片碎片的断面上少了很多小孔洞、细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物，且组成陶器的颗粒更细密，表明其韧性明显提高了，弯曲程度、硬度也比一般的陶瓷高。

实施例2：

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤如下：

1）将5.5g氧化锆、1.5g氧化铝和3g二氧化钛晶须颗粒状固体原料置于球磨罐中，加入100mL无水乙醇后用Al2O3球湿法球磨24 h，烘干后将得到的粉末状混合物与聚乙烯醇(PVA)溶液按体积比为1：1混合, 然后在真空干燥箱中干燥12h，研磨成粉末后，均匀的分散到纳米陶瓷材料中，同时加入5g氧化钇和5g磷酸镧并混合均匀，干燥后在真空度为100Pa、800℃条件下热固成型，将制得纳米黑瓷材料研磨成粉末备用；

2）将8g SiC 和2g BN颗粒状原料放入容器中,加入100mL无水乙醇混合后用Al2O3球湿法球磨24h，氮气烘干12h后将得到的粉末状混合物与上述纳米黑瓷材料粉末混合均匀，装在涂有BN的石墨模具中,放入热压炉中在真空度为100Pa、1000℃条件下进行二次烧结, 在压力为23Mpa下保温2h,即可制得高韧性纳米黑瓷材料。

通过电子显微镜观察制得的高韧性纳米黑瓷材料，与普通瓷器碎片比较，该瓷片碎片的断面上细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物都不太明显，晶体结构方面的缺陷如空位、位错都有减少，这些特征表明纳米黑瓷的结构更加紧密，韧性进一步得到提高。

实施例3：

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤与实施例2基本相同，不同之处在于步骤1）中热固成型的条件为真空度100Pa、温度1000℃。

通过电子显微镜观察制得的高韧性纳米黑瓷材料，由于温度的提高，电子显微镜下瓷片碎片的断面与实施例2比较，小孔洞少了好多。

实施例4：

一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，步骤与实施例2基本相同，不同之处在于步骤1）中热固成型的条件为真空度100Pa、温度1000℃，步骤2）中二次烧结的条件为真空度100Pa、温度1200℃。

通过电子显微镜观察制得的高韧性纳米黑瓷材料，由于温度的提高，电子显微镜下瓷片碎片的断面与实施例3比较，小孔洞几乎没有，而且没有上面实施例中显示的轻微塌陷；同时弯曲程度也有提高。可以看出，实施例4的方法在韧性，弯曲程度，硬度都是最好的。

Claims

1.一种高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1）将氧化锆、氧化铝和二氧化钛晶须颗粒状固体原料置于球磨罐中，加入无水乙醇后用Al2O3球湿法球磨24 h，烘干后将得到的粉末状混合物与聚乙烯醇溶液混合,干燥、研磨成粉末后，均匀的分散到纳米陶瓷材料中，同时加入氧化钇和磷酸镧并混合均匀，干燥后在真空度为100Pa、800-1000℃条件下热固成型，将制得纳米黑瓷材料研磨成粉末备用；

2.根据权利要求1所述高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，其特征在于：所述氧化锆、氧化铝、二氧化钛晶须的质量百分比为55-70%、10-15%、二氧化钛晶须为余量，固体原料总量与无水乙醇的用量比为1g：10mL；粉末状混合物与聚乙烯醇(PVA)溶液的体积比为1：1；固体原料总量与氧化钇和磷酸镧的质量比为10：0.5：0.5。

3.根据权利要求1所述高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，其特征在于：所述SiC 和BN的体积百分比为80 %：20%，颗粒状原料总量与无水乙醇的用量比为1g：10mL。

4.根据权利要求1所述高韧性纳米黑瓷材料的制备方法，其特征在于：所述颗粒状原料总量与纳米黑瓷材料粉末的质量比为1：0.5-1。