CN105856387A - 二氧化锆陶瓷生坯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了二氧化锆陶瓷生坯的制备方法，包括以下步骤：(1)干压预成型：将纳米二氧化锆造粒粉放入干压模具中后，进行干压成型，得到预制坯，其中，干压成型的压力为2-100MPa；(2)温等静压成型：干压成型后的预制坯装入温等静压模具后，进行温等静压成型，得到二氧化锆陶瓷生坯。本发明采用先干压预成型，再进行温等静压成型的方法制备二氧化锆陶瓷生坯，由于在温等静压的压力和温度作用下，预制坯仍有较好的流动性，使得纳米二氧化锆粉体颗粒能够按着紧密的方式进行堆积，更充分的排出粉体间的气体和熔融的添加剂。使得陶瓷坯体更加致密，缺陷更少，从而使得烧结后的纳米二氧化锆陶瓷，强度、密度、透光率都有所提高。

Description

二氧化锆陶瓷生坯的制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制备领域，特别涉及二氧化锆陶瓷生坯的制备方法。

背景技术

纳米二氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性、优异的隔热性能、热膨胀系数接近于负等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。

制备纳米二氧化锆陶瓷的原料为纳米二氧化锆，由于纳米材料本身的特点，直接应用纳米二氧化锆粉料进行成型加工，操作非常困难。因此，在实际应用中，一般先将纳米二氧化锆粉料加入添加剂进行造粒处理，形成粒径为0.05-0.1毫米的纳米二氧化锆造粒粉，再使用纳米二氧化锆造粒粉进行成型加工。造粒一般由纳米二氧化锆粉料生产商来完成，也可以由陶瓷的生产者购得纳米二氧化锆粉料后，自行完成。但无论是由纳米二氧化锆生产商完成还是由陶瓷的生产者自行完成，在造粒过程中，都经常会出现粉料团聚及添加剂分散不均匀等问题。

在现有技术中，一般采用干压成型或冷等静压成型的方法来对纳米二氧化锆造粒粉进行成型加工。采用上述的成型方法进行成型加工时，无法消除粉料团聚及添加剂分散不均匀等问题，使得成型后的生坯密度较低，具有孔洞等缺陷。这些缺陷会直接影响烧结后的纳米二氧化锆陶瓷的强度、透光率。在一些特定的应用领域，例如在牙科修复领域，用纳米二氧化锆陶瓷来制作义齿时，对纳米二氧化锆陶瓷的强度及透光率都有很高的要求，采用现有的制备方法所生产纳米二氧化锆陶瓷生坯，在烧结后，其性能很难满足要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例公开了二氧化锆陶瓷生坯的制备方法。技术方案如下：

二氧化锆陶瓷生坯的制备方法，包括以下步骤：

(1)干压预成型：将纳米二氧化锆造粒粉放入干压模具中后，进行干压成型，得到预制坯，其中，干压成型的压力为2-100MPa；

(2)温等静压成型：干压成型后的预制坯装入温等静压模具后，进行温等静压成型，得到二氧化锆陶瓷生坯，其中，温等静压成型的温度为100-350℃，压力为120-300Mpa。

其中，在得到二氧化锆陶瓷生坯后，将二氧化锆陶瓷生坯进行烧结，得到二氧化锆陶瓷毛坯。

其中，其特征在于，干压成型的温度为10-50℃，干压成型的压力为15-90Mpa，。

其中，干压成型的温度为15-35℃，干压成型的压力为40-80Mpa。

其中，温等静压成型的温度为150-300℃，压力为150-270Mpa。

其中，温等静压成型的温度为200-250℃，压力为180-240Mpa。

其中，烧结的温度为700℃～1200℃，升温速率为60℃～100℃/小时，保温时间2～4小时。

本发明采用先干压预成型，再进行温等静压成型的方法制备二氧化锆陶瓷生坯，由于在温等静压的压力和温度作用下，预制坯仍有较好的流动性，使得纳米二氧化锆粉体颗粒能够按着紧密的方式进行堆积，更充分的排出粉体间的气体和熔融的添加剂。使得陶瓷坯体更加致密，缺陷更少，从而使得烧结后的纳米二氧化锆陶瓷，强度、密度、透光率都有所提高。不仅如此，由于在温等静压成型之前先采用干压预成型，与直接将纳米二氧化锆造粒粉进行温等静压成型相比，粉料利用率和人工效率都有所提高，可以降低企业的生产成本。

具体实施方式

本发明的技术方案，主要是利用温等静压成型过程中相对较高的压力和温度环境，在这种环境下，预制坯中的添加剂呈熔融状态，因此有较好的流动性。这样在温等静压成型的压力下，纳米二氧化锆粉体颗粒堆积得更紧密，能更充分的排出粉体间的气体和熔融的添加剂。使得纳米二氧化锆陶瓷生坯更加致密，缺陷更少，从而使得烧结后的纳米二氧化锆陶瓷，强度、密度、透光率都有所提高。

但是，如果直接采用温等静压成型方法来制备纳米二氧化锆陶瓷生坯，则纳米二氧化锆造粒粉的利用率和人工效率都比较低。其理由如下：

由于温等静压所采用的模具一般由弹性材料制成，其在压制的过程中会产生较大的形变，直接采用造粒粉进行成型，会使得成型后的生坯几何规整度不好，例如，当成型的生坯为圆柱体时，经温等静压成型后，其圆度及直线度等都不理想，需要进一步的修坯，使其达到规格要求，整个修坯的过程需要浪费较多的造粒粉。

不仅如此，采用造粒粉直接进行温等静压成型时，一般一次成型只能出两个生坯，当产量较大时，就需要很多次的成型。而且，温等静压成型需要由操作人员手动将纳米二氧化锆造粒粉加入到模具中，由于造粒粉本身的特点，以及模具较小，每次装模的时间都会相对较长。这些都会影响人工效率。

本发明的技术方案先将纳米二氧化锆造粒粉进行干压预成型制成预制坯，然后将预制坯进行温等静压成型，得到纳米二氧化锆陶瓷生坯，这样，温等静压成型所针对的对象由造粒粉变成具有固定形状的预制坯，由于预制坯的形状已经固定，只是其密度较低，因此，温等静压成型在进一步增加其密度同时，对其几何规整度的影响不大。这样经过温等静压成型后的生坯，其几何规整度与直接用造粒粉进行温等静压成型的生坯相比，要好得多，基本不需要修坯，这样就会大大减少造粒粉的浪费。

由于已经将造粒粉成型为预制坯，这样，在温等静压成型时，可以采用较大的模具，这样一次压出的生坯的数量就会比较多。不仅如此，预制坯比较容易装模，人工效率也会提高很多。

需要说明的是，本发明所说的纳米二氧化锆造粒粉是指将纯纳米二氧化锆粉料与一定量的添加剂混合后，经造粒处理，所形成的颗粒状的粉料，其中，造粒粉的粒径一般为0.05-0.1毫米。进一步需要说明的是，纳米二氧化锆造粒粉可以直接市售获得，本领域技术人员直接购买即可。例如，可以购买东方锆业的OZ-3Y型3mol钇稳定纳米二氧化锆造粒粉产品来实现本发明的技术方案。

需要说明的是，本发明实施例中所采用的设备，例如干压预成型用的干压机、温等静压成型用的温等静压机、对制得的生坯进行烧结所用的烧结炉等均属于本领域的现有技术，并无特殊之处，均可通过商业途径获得，因此，本发明在此不作详细描述。

下面将以制备直径100mm，厚度14mm的圆柱形纳米二氧化锆陶瓷生坯为例，对本发明的技术方案进行描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)干压预成型：将3mol钇稳定纳米二氧化锆造粒粉(东方锆业，OZ-3Y型)放入干压模具中后，进行干压成型，得到预制坯，其中，干压成型的温度为25℃，压力为30MPa；

(2)温热等静压成型：干压成型后的预制坯装入温等静压模具后，进行温等静压成型，得到二氧化锆陶瓷生坯，其中，温等静压成型的温度为150℃，压力为180Mpa。

实施例2～8

根据如实施例1所记载的方法，使用与实施例1相同的原料，采用表1中实施例2～8的各步骤的工艺参数，分别制得实施例2～8的纳米二氧化锆陶瓷生坯。需要说明的是，本发明各实施例虽然都是以3mol钇稳定纳米二氧化锆造粒粉来制备二氧化锆陶瓷生坯，但陶瓷领域常用的其它类型的纳米二氧化锆造粒粉都可以实现本发明的技术方案，本发明在此不进行详细描述。

表1实施例2～8的各步骤的工艺参数

对比例1

制备直径100mm，厚度14mm的圆柱形纳米二氧化锆陶瓷生坯。

采用与实施例1相同的3mol钇稳定纳米二氧化锆造粒粉，将其放入干压模具中后，进行干压成型，得到生坯，其中，干压成型的温度为25℃，压力为200Mpa。

对比例2

制备直径100mm，厚度14mm的圆柱形纳米二氧化锆陶瓷生坯。

采用与实施例1相同的3mol钇稳定纳米二氧化锆造粒粉，将其放入冷等静压模具中后，进行冷等静压成型，得到生坯，其中，冷等静压成型的温度为25℃，压力为200Mpa。

分别按实施例1～8、对比例1及对比例2的方法各制备10个生坯，用游标卡尺或千分尺准确测量各生坯的尺寸，并计算出各生坯的体积；再用电子天平测量各生坯的重量；用各生坯的重量除以体积得出各生坯的密度。最后计算每个实施例及对比例所制得的生坯的密度平均值，得到结果如表2：

表2实施例1～8及对比例1对比例2所制得的生坯的平均密度

从表2可以看出，制备同样规格的生坯，本发明的技术方案与现有技术的干压成型或冷等静压成型相比，生坯密度有所提高。说明本发明采用先干压预成型，再进行温等静压成型的方法可以使得纳米二氧化锆粉体颗粒堆积的更加紧密，更充分的排出粉体间的气体和熔融的添加剂，从而增加了生坯的密度。可以保证生坯在进行烧结后，强度、透光率更好。

分别按实施例1～8、对比例1及对比例2的方法各制备10个生坯，然后以相同的烧结工艺时行烧结，得到毛坯。烧结的工艺参数为现有技术，本领域技术人员可以容易获得，本发明在此不用具体限定。例如，烧结的温度为700℃～1200℃，升温速率为60℃～100℃/小时，保温时间2～4小时。优选的，烧结的温度可以为1100℃，升温速率为当温度小于900℃时，升温速率为100℃/小时，当高于900℃时，升温速率为60℃/小时，保温时间3小时。

分别测试烧结后各毛坯密度、毛坯的三点弯曲强度、毛坯透光率，并计算每个实施例及对比例所制得的毛坯的密度平均值、三点弯曲强度平均值及透光率平均值，得到的结果如表3所示。

其中，

(1)毛坯密度的测试方法为：

用阿基米德排水法测定烧结后毛坯的密度。用电子天平测得试样在空气中的质量M₁和试样浸入水中的质量M₂。按下列公式计算毛坯密度D：

其中，D_水为水的密度。

(2)烧结后毛坯的三点弯曲强度的测试方法为：

按ISO6872-2008进行测试

器具：精度为±0.02mm的游标卡尺、夹具。

设备：载荷大于2000牛顿的材料试验机。

试样要求：⑴尺寸：三点弯曲强度试样：宽(4±0.2)mm，厚(1.2±0.2)mm，长大于20mm，倒角(0.09～0.15)mm；双轴弯曲强度试样：直径(Φ12±0.2)mm，厚(1.2±0.2)mm；⑵试样相对面的平行度不大于0.02mm，横截面的两相邻边夹角应为90°±0.5°。

测试步骤：测量试样横截面尺寸，精度达±0.01mm。对于三点弯曲强度测试，需要调节跨距为14～17mm。将一个试样置于夹具支点的正中，使载荷沿垂直于试样长轴的方向施加于试样表面，测定试样断裂时所需要的负荷，试验机以(1.0±0.5)mm/min的速度加载。并按下列公式计算出试样的三点弯曲强度M。

$M=\frac{3\mathrm{WL}}{{2\mathrm{bd}}^2}$

公式中：M—弯曲强度，MPa；W—试样断裂时的最大负荷，N；L—跨距，mm；b—试样宽度，mm；d—试样厚度，mm。

(3)毛坯透光率测试方法为：

采用PERKINELMER公司的Lambda 650型紫外可见分光光度计对毛坯进行测试。光源为D65标准光源(standardⅢuminant D65)。试样厚度：1mm。透光率的计算方法为：

透光率＝550nm波长透过率×1.19(太阳光平均波长550nm)

表3实施例1～8及对比例1～2所制得的毛坯的各性能参数的平均值

从表3可以看出，采用本发明的技术方案所制备的二氧化锆陶瓷生坯，与对比例1及对比例2所制备的生坯相比，在进行烧结后，前者的密度、三点弯曲强度、透光率均要高于后者，因此，采用本发明的技术方案所制备的生坯，在烧结得到纳米二氧化锆陶瓷后，陶瓷的强度及透光率可以满足在一些特定的应用领域，例如在牙科修复领域的性能要求，可以用来制作要求较高的义齿。

以上对本发明所提供的二氧化锆陶瓷生坯的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护。

Claims (7)

1.二氧化锆陶瓷生坯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)干压预成型：将纳米二氧化锆造粒粉放入干压模具中后，进行干压成型，得到预制坯，其中，干压成型的压力为2-100MPa；

(2)温等静压成型：干压成型后的预制坯装入温等静压模具后，进行温等静压成型，得到二氧化锆陶瓷生坯，其中，温等静压成型的温度为100-350℃，压力为120-300Mpa。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到二氧化锆陶瓷生坯后，将二氧化锆陶瓷生坯进行烧结，得到二氧化锆陶瓷毛坯。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，干压成型的温度为10-50℃，干压成型的压力为15-90Mpa。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，干压成型的温度为15-35℃，干压成型的压力为40-80Mpa。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，温等静压成型的温度为150-300℃，压力为150-270Mpa。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，温等静压成型的温度为200-250℃，压力为180-240Mpa。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，烧结的温度为700℃～1200℃，升温速率为60℃～100℃/小时，保温时间2～4小时。