CN105236939A - 一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成:氧化铝90-120、氧化镁1-5、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化钙1.5-4、二氧化钛2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。本发明的氧化铝硬度(HV)达2400以上，抗压强度(MPa)达4500以上，抗弯强度(MPa)达540以上，且本发明工艺简单，原料来源方便，且明显提高了氧化铝陶瓷的硬度和耐磨性能，扩大了氧化铝陶瓷的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件:生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝为主体的陶瓷材料，氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷，因为其优越的性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，满足于日用和特殊性能的需要。氧化铝陶瓷用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度，不易折断。它还可以作为损伤骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺钉，比用金属材料制成的人工骨螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根，由于氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲合性能，结合力强，因此有利于牙故粘膜与异齿材料的附着。但是其耐磨性一般。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨性好硬度高的氧化铝陶瓷。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施:
一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，由下列重量份的原料制成:氧化铝90-120、氧化镁1-5、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化钙1.5-4、二氧化钛2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。
优选的，所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷由下列重量份的原料制成:氧化铝100-110、氧化镁2-4、高岭土粉4-6、氧化锆1-1.5、氧化钙2-3、二氧化钛3-5、三氧化二锑2.5-3、碳纤维1.6-2.5、表面活性剂0.05-0.2、聚乙烯1.5-2、无水乙醇26-28、甘油3-5、去离子水68-70。
优选的，所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷由下列重量份的原料制成:氧化铝105、氧化镁3、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化钙2.8、二氧化钛4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
优选的，所述碳纤维的长度为4-6mm。
优选的，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种。
制备上述高硬度耐磨氧化铝陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到球磨罐中球磨60-90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300-400rpm的转速进行湿法混合40-60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100-200rpm，继续球磨40-60min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于700-750℃下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，升温至1650-1680℃，恒温保持120-180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
优选的，所述球磨罐配备有高纯度氧化镁磨球。
优选的，步骤（3）中所述升温其速率为30-35℃/min。
本发明的优点是：
（1）本发明添加的碳纤维可以提高氧化铝的力学性能，提高陶瓷的断裂韧性，提高素坯的强度和致密度，满足机械加工要求添加的碳化钦进一步提高陶瓷的耐磨性。
（2）本发明添加的金属元素提高了氧化铝陶瓷的致密性，减少了材料的损失，提高成品率。
（3）本发明工艺简单，原料来源方便，且明显提高了氧化铝陶瓷的硬度和耐磨性能，扩大了氧化铝陶瓷的使用范围。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，由下列重量份的原料制成:氧化铝105、氧化镁3、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化钙2.8、二氧化钛4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
其中，所述碳纤维的长度为4mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐磨氧化铝陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化镁磨球的球磨罐中球磨90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以400rpm的转速进行湿法混合60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至200rpm，继续球磨60min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于750℃下保温50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以35℃/min的速率升温至1680℃，恒温保持180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
实施例2
一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，由下列重量份的原料制成:氧化铝120、氧化镁5、高岭土粉7、氧化锆2、氧化钙4、二氧化钛6、三氧化二锑3.5、碳纤维3、表面活性剂0.3、聚乙烯3、无水乙醇30、甘油5、去离子水75。
其中，所述碳纤维的长度为6mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐磨氧化铝陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化镁磨球的球磨罐中球磨60min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300rpm的转速进行湿法混合40min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100rpm，继续球磨40min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于700℃下保温30分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以30℃/min的速率升温至1650℃，恒温保持120min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
实施例3
一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，由下列重量份的原料制成:氧化铝90、氧化镁1、高岭土粉2、氧化锆0.8、氧化钙1.5、二氧化钛2、三氧化二锑1.8、碳纤维0.6、表面活性剂0.05、聚乙烯0.5、无水乙醇25、甘油2、去离子水65。
其中，所述碳纤维的长度为5mm，所述表面活性剂为聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠。
制备上述高硬度耐磨氧化铝陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化镁磨球的球磨罐中球磨80min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以350rpm的转速进行湿法混合50min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至110rpm，继续球磨50min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于720℃下保温40分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以33℃/min的速率升温至1660℃，恒温保持160min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
实施例4
一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，由下列重量份的原料制成:氧化铝100、氧化镁3、高岭土粉5、氧化锆1.8、氧化钙3、二氧化钛4、三氧化二锑2.5、碳纤维2.8、表面活性剂0.25、聚乙烯2、无水乙醇28、甘油2、去离子水70。
其中，所述碳纤维的长度为4mm，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠。
制备上述高硬度耐磨氧化铝陶瓷的方法，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到配备有高纯度氧化镁磨球的球磨罐中球磨70min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以380rpm的转速进行湿法混合45min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至120rpm，继续球磨60min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于720℃下保温40分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，以30℃/min的速率升温至1680℃，恒温保持200min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
Claims (8)
1.一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:氧化铝90-120、氧化镁1-5、高岭土粉2-7、氧化锆0.8-2、氧化钙1.5-4、二氧化钛2-6、三氧化二锑1.8-3.5、碳纤维0.6-3、表面活性剂0.05-0.3、聚乙烯0.5-3、无水乙醇25-30、甘油2-5、去离子水65-75。
2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:氧化铝100-110、氧化镁2-4、高岭土粉4-6、氧化锆1-1.5、氧化钙2-3、二氧化钛3-5、三氧化二锑2.5-3、碳纤维1.6-2.5、表面活性剂0.05-0.2、聚乙烯1.5-2、无水乙醇26-28、甘油3-5、去离子水68-70。
3.根据权利要求2所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷，其特征在于，由下列重量份的原料制成:氧化铝105、氧化镁3、高岭土粉4.5、氧化锆1.2、氧化钙2.8、二氧化钛4.4、三氧化二锑2.9、碳纤维2.1、表面活性剂0.15、聚乙烯1.7、无水乙醇26、甘油4.6、去离子水68。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷，其特征在于，所述碳纤维的长度为4-6mm。
5.根据权利要求4所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷，其特征在于，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种。
6.一种高硬度耐磨氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤:
(1)将氧化铝、氧化镁、高岭土粉、氧化锆、氧化钙、二氧化钛、三氧化二锑、去离子水混合加到球磨罐中球磨60-90min，再加入聚乙烯、无水乙醇、甘油，以300-400rpm的转速进行湿法混合40-60min；
（2）加入碳纤维、表面活性剂，转速降低至100-200rpm，继续球磨40-60min，将混合均匀的浆料在室温下抽气缓慢加到金属模具中，然后置于保温箱中于700-750℃下保温30-50分钟后脱模，在室温下自然干燥至恒重；
(3)将步骤(2)得到的氧化铝陶瓷素坯置入反应烧结炉中，将烧结炉抽真空，升温至1650-1680℃，恒温保持120-180min，试样随炉冷却即可得到高硬度耐磨氧化铝陶瓷。
7.根据权利要求6所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球磨罐配备有高纯度氧化镁磨球。
8.根据权利要求7所述的高硬度耐磨氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述升温其速率为30-35℃/min。
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