CN104045349A - 一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷及其制备方法，属于纳米掺加陶瓷制备技术领域。本发明通过对原料中各相组分含量配比进行限定，对烧结温度、压力和保温时间进行限定，从而制备出纳米氧化铝掺加的氮氧化铝陶瓷；纳米氧化铝的加入多集中于材料晶界处，形成晶界钉扎作用，对裂纹扩展的阻碍能力很高，材料的弯曲强度和断裂韧性高。

Description

一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷及其制备方法

技术领域　　

本发明涉及一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷的制备方法，属于纳米增强陶瓷材料领域。

背景技术

氮氧化铝（AlON）是Al₂O3-AlN体系的一个重要的单相、稳定的固溶体陶瓷,它以其独特的性能成为颇具潜力的新材料。AlON陶瓷具有优良的光学、物理、机械和化学性质，特别是它所具有的各向同性,高温烧结可制成透明陶瓷,因而是耐高温红外窗和罩的优选材料。

国内外已有学者对 AlN-Al₂O₃复相体系及其相稳定性进行了研究，结果表明：AlN 与 Al₂O₃在高于 1650 ℃会发生反应形成 AlON。由于不同研究人员采用的原料条件、制备方法不同，报道的 AlN与 Al₂O₃开始反应温度也有所差别。但是氮氧化铝陶瓷还存在着力学性能相对较低的特点，这大大限制了氮氧化铝在工业上的广泛应用，因此引入改善氮氧化铝材料的力学性能，会提高氮氧化铝陶瓷材料的应用领域，为氮氧化铝工业化的应用打下理论基础。

纳米相掺加增强陶瓷已广泛应用于各种基体的陶瓷复合材料，由于弥散的纳米颗粒会在烧结过程中限制基体晶粒的过度长大，且在颗粒间形成钉扎效应，会在很大程度上组织裂纹在基体中的扩散，吸收较多的裂纹断裂能量，因而会大大提高陶瓷复合材料的力学性能。但是由于纳米氧化铝会在氮氧化铝体系中发生固溶，且掺加量对体系的性能影响较大，如何保证氮氧化铝在高温下的反应及致密烧结和力学性能最优是本发明解决的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米氧化铝掺加的氮氧化铝陶瓷的制备方法。本发明在现有的氮氧化铝陶瓷的制备方法上进行改进，从而提供一种针对纳米氧化铝增强的氮氧化铝陶瓷制备的技术；采用该制备工艺制备的氮氧化铝陶瓷材料，具有良好的微观结构、优异的力学性能和致密性。

本发明中的纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：

（1）制备纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体

将纳米氧化铝粉体（粒径为20-30nm）、氧化铈（平均粒径为1μm）、氮化铝粉体（平均粒径为1μm）、氧化铝粉体（平均粒径为1μm）和无水乙醇按照1:0.1:1:3:20质量比进行混合（氧化铈为烧结助剂），在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为总量的0.5-1%聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝混合粉体；

（2）烧结

混合粉体于真空、1650-1700℃、20-30MPa条件下烧结2-4h，得产品；升温速度为3-10℃/分钟。

本发明的方法，步骤（1）中，原料的控制会很大程度上影响材料的微观结构和相组成，进而对材料的力学性能产生较大影响。采用本发明的原料配比所制备的材料结构致密，主晶相为氮氧化铝。步骤（2）中，温度的控制、压力的控制、烧结时间、升温速度的改变，对烧结过程中氮氧化铝反应生成及烧结过程具有显著影响，进而影响产品的最终性能。本发明所采用的烧结工艺，所制备的产品相成分主要为氮氧化铝，结构致密，力学性能优异。

本发明通过对原料配比进行限定，对烧结温度、烧结压力、烧结时间进行限定，从而使在氮化铝、氧化铝粉体在烧结过程中，在压力的作用下发生两相固溶生成氮氧化铝相；由于纳米氧化铝相的存在很好的限制了氮氧化铝晶粒的长大，并分散在晶界处，形成纳米颗粒钉扎作用，当材料受外部应力产生裂纹时，会很好地阻碍裂纹的进一步扩展，提高氮氧化铝陶瓷材料的力学性能。具体来说本发明制备的纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷，其相对密度为99.2%；抗弯强度为382.6-424.5MPa；断裂韧性为：4.82-5.14MPa·m^1/2。

上述制备工艺方法，优选参数为：

纳米氧化铝、氧化铈、氮化铝、氧化铝的质量比为1:0.1:1:3；

烧结条件：真空气氛、1700℃、30MPa条件下烧结4h的得产品；在此工艺参数条件下，所得产品的相对密度为 99.2%；抗弯强度为424.5MPa；断裂韧性为： 5.14MPa·m^1/2。

本发明相比现有技术的优越性在于：

本发明相较于其他烧结工艺制备的氮氧化铝陶瓷有更好的力学综合性能；

由于纳米氧化铝的存在，可很好地降低体系烧结温度，促进烧结，节约烧结时间，降低成本；

本工艺中纳米相为氧化铝，与基体氮氧化铝有良好的结合性，不引入其他杂质相；

另外，原料获得容易，产品性能优异，抗弯强度和断裂韧性大大增加，有较高的成本性价比。

附图说明

图1为实施例1中纳米氧化铝掺加氮氧化铝的XRD图谱；

图2为实施例1中纳米氧化铝掺加氮氧化铝的断面低倍SEM图；

图3为实施例1中纳米氧化铝掺加氮氧化铝的断面高倍SEM图；

图4为实施例1中纳米氧化铝掺加氮氧化铝的断面EDS图；

图5为对比例1中未掺加纳米氧化铝的氮氧化铝断面SEM图。

具体实施方式

实施例1  

将纳米氧化铝粉体（粒径为20-30nm）、氧化铈（平均粒径为1μm）、氮化铝粉体（平均粒径为1μm）、氧化铝粉体（平均粒径为1μm）和无水乙醇按照1:0.1:1:3:20的比例放入烧杯中，在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为0.5%聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体，最后粉料放入石墨磨具中于真空、1700℃、30MPa条件下烧结4h得样品，0-1200℃升温速率为10℃/分钟，1200-1700℃为3℃/分钟。样品力学性能为：相对密度 99.2%；抗弯强度424.5MPa；断裂韧性5.14MPa·m^1/2。相组成及微观结构如图1-4，可看到主相晶型为氮氧化铝，只有部分未全部反应的氮化铝氧化铝，其中图4中可看到烧结之后的纳米氧化铝晶粒生长成米粒状位于氮氧化铝晶粒间，在晶界处形成钉扎作用，同时限制了晶粒的长大，因而力学性能优异。

实施例2

将纳米氧化铝粉体（粒径为20-30nm）、氧化铈（平均粒径为1μm）、氮化铝粉体（平均粒径为1μm）、氧化铝粉体（平均粒径为1μm）和无水乙醇按照1:0.1:1:3:20的比例放入烧杯中，在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为1%的聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体，最后粉料放入石墨磨具中于真空、1650℃、20MPa条件下烧结2h得样品，0-1200℃升温速率为10℃/分钟，1200-1650℃为3℃/分钟。样品力学性能为：相对密度 98.6%；抗弯强度382.6MPa；断裂韧性4.82MPa·m^1/2。

所述实施例1、2中所得的层状钛/氧化铝复合材料的相对密度均大于98%，力学性能也相较于纯相氮氧化铝有了明显改善，且微观结构良好，微观相组成可看到主晶相为氮氧化铝相，因此本发明提供了一种纳米氧化铝掺加氮氧化铝陶瓷材料的制备方法。

对比例1  

将氧化铈（平均粒径为1μm）、氮化铝粉体（平均粒径为1μm）、氧化铝粉体（平均粒径为1μm）和无水乙醇按照0.1:1:4:20的比例放入烧杯中，在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为2g聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体，最后粉料放入石墨磨具中于真空、1700℃、30MPa条件下烧结4h得样品，0-1200℃升温速率为10℃/分钟，1200-1700℃为3℃/分钟。样品力学性能为：相对密度 98.2%；抗弯强度242.8MPa；断裂韧性2.87MPa·m^1/2。其微观结构如图5，可看到样品断面中晶粒多为穿晶断裂，晶粒生长较粗大，无明显晶界，因而相较于掺加纳米氧化铝，力学性能较差。

Claims (3)

1.一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷，其特征在于，采用如下步骤制备而成：

制备纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体：

将粒径为20-30nm纳米氧化铝粉体、平均粒径为1μm的氧化铈、平均粒径为1μm的氮化铝粉体、平均粒径为1μm的氧化铝粉体和无水乙醇按照1:0.1:1:3:20质量比进行混合，在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为0.5-1%聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝混合粉体；

烧结：

混合粉体于真空、1650-1700℃、20-30MPa条件下烧结2-4h，得产品；升温速度为0-1200℃升温速率为10℃/分钟，1200-1700℃为3℃/分钟。

2.根据权利要求1所述的纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷，其特征在于，其相对密度为98.4-99.2%；抗弯强度为382.6-424.5MPa；断裂韧性为：4.82-5.14MPa·m^1/2。

3.一种纳米氧化铝增强氮氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

制备纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体：

将纳米氧化铝粉体、氧化铈、氮化铝粉体、氧化铝粉体和无水乙醇按照1:0.1:1:3:20质量比进行混合，在常温下进行磁力搅拌加超声分散1h得到混合料浆；之后将混合料浆放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介质为氧化铝球，分散剂为0.5-1%聚乙二醇；球磨后料浆在真空干燥箱中80℃条件下干燥8h制备成纳米氧化铝掺加的氮化铝、氧化铝粉体；

烧结：

混合粉体于真空、1650-1700℃、20-30MPa条件下烧结2-4h，得产品；升温速度为0-1200℃升温速率为10℃/分钟，1200-1700℃为3℃/分钟。