CN105936981B - 一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法。以质量百分数计，该氧化铅陶瓷配方的化学组分为Pb 10％～25％和PbO 75％～90％；或为Pb 10％～60％和Pb3O440％～90％；或为Pb 5％～25％，PbO 50％～90％和Pb3O45％～45％。按配方混合粉末，添加去离子水研磨均匀，然后预压制，所得坯体研磨成粉末，再添加去离子水，研磨均匀后放入金属模具中进行保压与泄压处理，得到金属陶瓷压坯，将金属陶瓷压坯进行烧结得到金属铅增韧的氧化铅陶瓷产品。该产品在满足陶瓷氧控功能的基础上，具有更强的弯曲强度，可以承受更强的冲击载荷，满足液态金属的冲刷运行。

Description

一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷技术领域，特别涉及一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法。
背景技术
液态金属铅和液态铅铋合金是核工业铅冷快堆、铅铋冷快堆的冷却剂材料，以及加速器驱动次临界系统ADS散裂中子靶材料。由于铅、铅铋合金对金属管道具有较强的腐蚀性，需要通过氧含量控制保护管道表面。普通的固态氧控技术通过氧化铅陶瓷在液态金属中冲刷溶解。但是陶瓷材料由于脆性大、耐磨性能差，在高温液态金属冲刷下会迅速破损、碎裂，难以满足工业长时间稳定运行的要求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法。
一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷，以质量百分数计，该氧化铅陶瓷配方的化学组分为Pb 10％～25％和PbO 75％～90％；
或为Pb 10％～60％和Pb3O4 40％～90％；
或为Pb 5％～25％，PbO 50％～90％和Pb3O4 5％～45％。
一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照所述氧化铅陶瓷配方将粉末混合；
(2)在步骤(1)中所得混合粉末中添加0～5wt％的去离子水，充分混合，研磨均匀；
(3)将步骤(2)所得混合粉末在7～35MPa下预压制2～10min，将压制所得粉末坯体研磨成粉末，再添加0～5％质量分数的去离子水，研磨均匀；
(4)将步骤(3)所得混合粉末放入金属模具中，以0.1～0.5MPa/s的加压速率加压至2～15MPa，保压3～10min，然后以0.1MPa/s的降压速率泄压，得到金属陶瓷压坯；
(5)将步骤(4)所得金属陶瓷压坯放入烧结炉内烧结，包括以下步骤：
①液相烧结：将坯体加热至300～380℃，保温30～60min；
②升温烧结：继续加热至460～620℃，保温30～120min；
③冷却：以45～60℃/min的降温速度冷却至室温，或随炉冷却至室温，得到金属铅增韧氧化铅陶瓷产品。
所述步骤(2)和步骤(3)中所添加的去离子水作为金属陶瓷的粘结剂。
所述步骤(4)中，混合粉末加压之前在7～35MPa下预压制2～10min。
所述步骤(5)中烧结炉使用常规马弗炉或微波加热炉。
在常规马弗炉加热条件下，所述液相烧结的加热速率为5～20℃/min。
在微波加热炉加热条件下，所述液相烧结的加热速率为45～150℃/min。
本发明的有益效果为：金属铅增韧的氧化铅陶瓷在氧化铅陶瓷基础上发展而来，具有陶瓷材料性能和一定的金属韧性，在满足陶瓷氧控功能的基础之上，具有更强的弯曲强度，可以承受更强的冲击载荷，满足液态金属的冲刷运行。
附图说明
图1为实施例1制备的微波烧结PbO-Pb3O4-Pb金属陶瓷的X射线衍射图谱；
图2为实施例1制备的微波烧结PbO-Pb3O4-Pb金属陶瓷的扫描电镜图像；
图3为实施例2制备的常规烧结Pb3O4-Pb金属陶瓷的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
(1)配料准备：
将纯度均大于99％的PbO、Pb3O4和Pb按质量比为8:1:1的比例混合，添加5wt％去离子水，充分混合，研磨均匀，在30MPa压力下预压4min进行预压处理，得到预压片，然后将预压片捣碎研磨，再添加4wt％去离子水，研磨均匀，用以去除压制成型过程中的横向开裂现象。
(2)制作压坯：
将处理后所得粉末倒入模具中，进行保压及泄压处理，压制成所需形状的压坯。保压及泄压处理工艺为以0.1MPa/s的速度加压至8MPa，保压3.5min，然后以0.1MPa/s的速度泄压。
(3)微波烧结处理：
将所得压坯放入微波烧结容器中，将微波烧结容器放入微波加热炉中。以75℃/min的速率加热至380℃，保温25min。然后以45℃/min的速率加热至620℃，保温55min，随炉冷却至室温得PbO-Pb3O4-Pb金属陶瓷。
所得金属陶瓷XRD衍射图谱如图1所示，由图1可知PbO-Pb3O4-Pb金属陶瓷相通过XRD得到的衍射峰结果以PbO相为主，在晶体结构上依然保持着PbO的结构。所得金属陶瓷显微结构图像如图2所示，由图2可知PbO-Pb3O4-Pb金属陶瓷晶体呈曾片状。所得金属陶瓷通过三点弯曲实验测量其断裂强度，结果见表1，可见通过添加Pb粉末和Pb3O4粉末能够大大提高陶瓷强度。
实施例2
(1)配料准备：
将纯度均大于99％的Pb和Pb3O4按照质量比为1:1的比例混合，添加2wt％去离子水，研磨均匀。在30MPa压力下预压4min进行预压处理，得到预压片，然后将预压片捣碎研磨，再添加去4wt％离子水，研磨均匀。
(2)制作压坯：
将上述步骤得到的粉末导入模具中，在12MPa压力下预压3min，之后进行保压与泄压处理，以小于0.2MPa/s的速度加压至8MPa压力，保压5min，然后以小于0.1MPa/s的速度泄压。最终，压制成所需形状的压坯。
(3)常规烧结处理：
将上述压坯直接放入常规马弗炉中加热，以5℃/min速率加热至375℃，保温45min。然后以2℃/min速率加热至480℃，保温2h。烧结完成后随炉冷却至室温，将其取出得到Pb3O4-Pb金属陶瓷。
所得金属陶瓷XRD衍射图谱如图3所示，在Pb3O4-Pb金属陶瓷的XRD衍射图谱中没有检测到Pb的成分，表明以Pb、Pb3O4为原料的氧化铅陶瓷，经过复杂烧结过程后生成了PbO。将Pb、Pb3O4掺杂烧结的目的也正在于通过不同价态铅离子间化学反应强化陶瓷力学性能，这是导致陶瓷强度急剧提高的原因之一。所得金属陶瓷通过三点弯曲实验测量其断裂强度，结果见表1，可见陶瓷强度大大提高。
实施例3
(1)配料准备：
将纯度大于99％的Pb、PbO按照质量2:8比例混合，添加2wt％去离子水，研磨均匀。在30MPa压力下预压4min进行预压处理，得到预压片，然后将预压片捣碎研磨，再添加去4wt％离子水，研磨均匀。
(2)制作压坯：
将上述步骤得到的粉末导入模具中，在15MPa压力下预压5min，之后进行保压与泄压处理，以小于0.2MPa/s的速度加压至15MPa压力，保压3min，然后以小于0.1MPa/s的速度泄压。最终，压制成所需形状的压坯。
(3)常规烧结处理：
将上述压坯直接放入常规马弗炉中加热，以5℃/min速率加热至375℃，保温45min。然后以2℃/min速率加热至620℃，保温2h。烧结完成后随炉冷却至室温，将其取出得到PbO-Pb金属陶瓷。
所得金属陶瓷通过三点弯曲实验测量其断裂强度，结果见表1，可见添加Pb粉末的金属陶瓷强度大大提高。
表1

Claims (7)

1.一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，以质量百分数计，该氧化铅陶瓷配方的化学组分为Pb10％～25％和PbO75％～90％。
2.一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，以质量百分数计，该氧化铅陶瓷配方的化学组分为Pb10％～60％和Pb3O440％～90％。
3.一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，以质量百分数计，该氧化铅陶瓷配方的化学组分为Pb5％～25％，PbO50％～90％和Pb3O45％～45％。
4.权利要求1-3任一权利要求所述一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照所述氧化铅陶瓷配方将粉末混合；
(2)在步骤(1)中所得混合粉末中添加0～5wt％的去离子水，充分混合，研磨均匀；
(3)将步骤(2)所得混合粉末在7～35MPa下预压制2～10min，将压制所得粉末坯体研磨成粉末，再添加0～5％质量分数的去离子水，研磨均匀；
(4)将步骤(3)所得混合粉末在7～35MPa下预压制2～10min，然后放入金属模具中，以0.1～0.5MPa/s的加压速率加压至2～15MPa，保压3～10min，然后以0.1MPa/s的降压速率泄压，得到金属陶瓷压坯；
(5)将步骤(4)所得金属陶瓷压坯放入烧结炉内烧结，包括以下步骤：
①液相烧结：将坯体加热至300～380℃，保温30～60min；
②升温烧结：继续加热至460～620℃，保温30～120min；
③冷却：以45～60℃/min的降温速度冷却至室温，或随炉冷却至室温，得到金属铅增韧的氧化铅陶瓷产品。
5.根据权利要求4所述一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中烧结炉使用常规马弗炉或微波加热炉。
6.根据权利要求5所述一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，其特征在于，在常规马弗炉加热条件下，所述液相烧结的加热速率为5～20℃/min。
7.根据权利要求5所述一种金属铅增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，其特征在于，在微波加热炉加热条件下，所述液相烧结的加热速率为45～150℃/min。
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