CN104774016B - 一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：以高纯α‑氧化铝粉体为主要原料，碳化硅为添加剂，按一定质量比进行配料，然后湿式混合、干燥、造粒后成型，预烧结，获得相对密度为72～83％的半成品，自然冷却至室温，再将预烧结后的半成品进行酸化处理，然后在室温下干燥，再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷，本发明具有原位生长的柱状氧化铝晶粒，柱状晶的长径比大于5，成型后材料的弯曲强度为290～430MPa，断裂韧性为4.8～7.6MPa·m^1/2；因而具有优异力学性能和广泛的用途。

Description

一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。

背景技术

氧化铝陶瓷材料因具有优良的耐高温、抗腐蚀、耐磨损等特性和电绝缘性能，并且制造成本低，因此是目前应用最广泛的一种先进陶瓷材料。可作为电子工业中电路衬底材料、发动机零部件材料。氧化铝的显微组织通常为等轴状晶粒，断裂韧性较低，通常只有3～4MPa·m^1/2，极大地限制了其应用领域。因此国内外开展了大量研究，以期提高氧化铝陶瓷的断裂韧性。目前主要通过两种途径提高氧化铝的断裂韧性；一是在氧化铝陶瓷基体中添加第二相增强体(纤维、晶须和颗粒等)，证明能够显著提高材料的断裂韧性，国内外专利，如美国专利US4,657,877和中国专利CN102674819A，CN101948325A，CN102757254A对该技术均有相关报道。但此方法仍存在制备工艺复杂、成本高、增强体难以均匀分散以及晶须有害人体健康等一系列的弊端。二是通过引入添加剂或晶种等办法诱导等轴状A1₂O₃晶粒异向生长成长柱状，来增韧A1₂O₃陶瓷，这也是近几十年来高韧性氧化铝陶瓷研究的重点方向。文献(《国内外原位生长柱状晶增韧氧化铝陶瓷研究的现状》，铸造设备研究，2008，NO.1,46-51)综述了引入添加剂和晶种的种类和引入方法。主要添加剂包括CaO-A1₂O₃-SiO₂玻璃、MgB₂、TiO₂、Cr₂O₃、CaF₂和高岭土、SiO₂-Nb₂O₃、Na₂O-MgO体系，以及氧化铝纳米晶种和磨耗晶种。在1500-1650℃，通过常压或热压烧结，可获柱状晶增韧的氧化铝陶瓷。如中国专利CN101618960A报道了在纯度为99.99％的α-氧化铝中添加少量含有Ca，Mg离子的Mg(NO₃)₂,CaC1₂盐，即可以诱发氧化铝异向生长，从而制备出含原位生长长柱状氧化铝晶的陶瓷。另外，中国专利CN 101343176A报道了一种自补强亚微米晶氧化铝陶瓷的制备方法，在细晶α-氧化铝中加入添加剂，如氧化锌、氧化镁、氧化钙、氧化钇、氧化斓、氧化钛、氧化硼、氧化铁、氧化钒、氧化硅中的任意一种或者任意两种以上的混合物，可制得含有氧化铝长柱状晶的自补强的亚微米晶氧化铝陶瓷，显微结构中含有长径比大于5的长柱状氧化铝晶粒。同样，美国专利US5,081,082描述了一种在α-A1₂O₃基体中原位生长β-A1₂O₃针状晶提高氧化铝陶瓷韧性的方法；即在高纯α-A1₂O₃粉末中添加摩尔比小于3％的Na₂O和MgO复合添加剂，在1600-1700℃常压，或1550-1650℃，30-60MPa的压力下热压烧结，可获得β-A1₂O₃原位生长的氧化铝陶瓷。以上专利都报道了，通过原位柱状晶的生长可以提高氧化铝的断裂韧性，但均没有给出具体的韧性值大小。

采用上述原位生长柱状氧化铝提高陶瓷韧性的方法，柱状氧化铝的含量难以控制，且长径比较小，通常以高纯氧化铝为原料的体系，需要采用热压烧结方法才能制备力学性能较高的氧化铝陶瓷，成本较高，不适合批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，以该方法制备的氧化铝陶瓷具有柱状晶结构特点、优异力学性能和广泛的用途。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：以高纯α-氧化铝粉体为主要原料，碳化硅为添加剂，按一定质量比进行配料，然后湿式混合、干燥、造粒后成型，预烧结，获得相对密度为72～83％的半成品，自然冷却至室温，再将预烧结后的半成品进行酸化处理，然后在室温下干燥，再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷。

原料：粒径为2～5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体和碳化硅，质量百分比为92-98：2-8；

制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在微粒球磨机中球磨，混合均匀；经干燥、造粒后成型，预烧结温度为1400～1450℃，保温时间为2～4h，获得相对密度为72～83％的半成品，自然冷却至室温；再将预烧结后的半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理，时间为1～3分钟，取出后在室温干燥；再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷。

所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷，具有原位生长的柱状氧化铝晶粒，柱状晶的长径比大于5，成型后材料的弯曲强度为290～430MPa，断裂韧性为4.8～7.6MPa·m^1/2。

本发明的优点在于用机械混合法制备A1₂O₃和SiC复合粉末，首先对坯体预烧结，产生液相和孔隙，为柱状晶粒的生长提供界面能和生长空间；随后对预烧结试样进行简单酸化处理和二次烧结，可获得原位生长的柱状晶氧化铝陶瓷，制得的氧化铝陶瓷具有韧性高、成本低的特点，可成为对韧性要求较高的结构陶瓷部件的优选材料。

附图说明

图1为本发明实施例2制得的柱状氧化铝陶瓷试样的断口扫描电镜照片；

具体实施方式

以粒径为2～5μm,纯度为99.99％的α-氧化铝为主要原料，按氧化铝和碳化硅的质量百分比为(92-98):(2-8)进行配料，将粉体湿式混合、干燥、成型，于1400～1450℃预烧结2～4h，获得相对密度为72～83％的半成品，将预烧结后的试样浸泡在浓度为13％的HF溶液中1～3分钟，取出后在室温干燥，然后在1450～1550℃进行二次烧结2～6小时，可制得具有柱状氧化铝晶粒组成的氧化铝陶瓷。柱状晶的长径比大于5，材料的弯曲强度为290～430MPa，断裂韧性为4.8～7.6MPa·m^1/2。

实施例1

按质量百分比为98:2分别称取粒径为2-5μm的氧化铝粉末98克，碳化硅2克，再加入98ml蒸馏水。将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，干燥、造粒、成型，于1450℃预烧结4小时，自然冷却至室温，试样的相对密度为72％，然后将试样浸泡在质量浓度为13％的氢氟酸溶液中进行酸化处理1分钟，取出室温干燥，再于1550℃进行二次烧结3小时，而后自然冷却至室温，获得的材料由柱状氧化铝晶粒组成，柱状晶的长径比大于5，用三点弯曲法测定试条的强度，每组测试结果为5根试条的平均值，弯曲强度为430±25MPa，断裂韧性为4.8±0.5MPa·m^1/2。

实施例2

按质量百分比为96:4分别称取粒径为2-5μm的氧化铝粉末96克，碳化硅4克，再加入96ml蒸馏水。将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，干燥、造粒、成型，于1420℃预烧结4小时，自然冷却至室温，试样的相对密度为78％，然后将试样浸泡在质量浓度为13％的氢氟酸溶液中进行酸化处理2分钟，取出室温干燥，再于1520℃进行二次烧结4小时，而后自然冷却至室温，获得的材料由柱状氧化铝晶粒组成(如图1所示)，柱状晶的长径比大于5，用三点弯曲法测定试条的强度，每组测试结果为5根试条的平均值，弯曲强度为390±24MPa，断裂韧性为6.3±0.6MPa·m^1/2。

实施例3

按质量百分比为92:8分别称取粒径为2-5μm的氧化铝粉末92克，碳化硅8克，再加入92ml蒸馏水。将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，干燥、造粒、成型，于1400℃预烧结4小时，自然冷却至室温，试样的相对密度为83％，然后将试样浸泡在质量浓度为13％的氢氟酸溶液中进行酸化处理3分钟，取出室温干燥，再于1500℃进行二次烧结6小时，而后自然冷却至室温，获得的材料由柱状氧化铝晶粒组成，柱状晶的长径比大于5，用三点弯曲法测定试条的强度，每组测试结果为5根试条的平均值，弯曲强度为290±28MPa，断裂韧性为7.6±0.7MPa·m^1/2。

Claims (5)

1.一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，以高纯α-氧化铝粉体为主要原料，碳化硅为添加剂，按一定质量比进行配料，然后湿式混合、干燥、造粒后成型，预烧结，获得相对密度为72～83％的半成品，自然冷却至室温，再将预烧结后的半成品进行酸化处理，然后在室温下干燥，再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷；其特征在于：

原料：粒径为2～5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体和碳化硅，质量百分比为92％-98％∶2％-8％；

制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在微粒球磨机中球磨，混合均匀；经干燥、造粒后成型，预烧结温度为1400～1450℃，保温时间为2～4h，获得相对密度为72％～83％的半成品，自然冷却至室温；再将预烧结后的半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理，时间为1～3分钟，取出后在室温干燥；再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷。

2.根据权利要求1所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：按质量百分比为98％∶2％分别称取粒径为2-5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体98克，碳化硅2克，再加入98mL蒸馏水；将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，经干燥、造粒后成型，于1450℃预烧结4小时，自然冷却至室温，获得相对密度为72％的半成品，然后将半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理1分钟，取出后在室温干燥，再于1550℃进行二次烧结3小时，而后自然冷却至室温，获得由柱状氧化铝晶粒组成的高韧性柱状氧化铝陶瓷。

3.根据权利要求1所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：按质量百分比为96％∶4％分别称取粒径为2-5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体96克，碳化硅4克，再加入96mL蒸馏水；将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，经干燥、造粒后成型，于1420℃预烧结4小时，自然冷却至室温，获得相对密度为78％的半成品，然后将半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理2分钟，取出后在室温干燥，再于1520℃进行二次烧结4小时，而后自然冷却至室温，获得由柱状氧化铝晶粒组成的高韧性柱状氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求1所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：按质量百分比为92％∶8％分别称取粒径为2-5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体92克，碳化硅8克，再加入92mL蒸馏水；将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，经干燥、造粒后成型，于1400℃预烧结4小时，自然冷却至室温，获得相对密度为83％的半成品，然后将半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理3分钟，取出后在室温干燥，再于1500℃进行二次烧结6小时，而后自然冷却至室温，获得由柱状氧化铝晶粒组成高韧性柱状氧化铝陶瓷。

5.权利要求1所述的制备方法制备出的高韧性柱状氧化铝陶瓷，其特征在于：采用以下方法制备：

原料：粒径为2～5μm、纯度为99.99％的α-氧化铝粉体和碳化硅，质量百分比为92％-98％∶2％-8％；

制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在微粒球磨机中球磨，混合均匀；经干燥、造粒后成型，预烧结温度为1400～1450℃，保温时间为2～4h，获得相对密度为72％～83％ 的半成品，自然冷却至室温；再将预烧结后的半成品浸泡在质量浓度为13％的HF溶液中进行酸化处理，时间为1～3分钟，取出后在室温干燥；再进行二次烧结，烧结温度为1450～1550℃，保温时间为2～6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷；

所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷，具有原位生长的柱状氧化铝晶粒，柱状晶的长径比大于5，成型后材料的弯曲强度为290～430MPa，断裂韧性为4.8～7.6MPa·m^1/2。