CN106588015A - 一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法 - Google Patents

一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，包括：将介孔氧化钇装入模具中，在真空或者惰性气氛下，进行放电等离子烧结，冷却，研磨，抛光，得到氧化钇陶瓷。本发明的方法可以实现在较低温度下得到高致密的氧化钇陶瓷，而且这种技术具有升温速率快，烧结时间短等优点，是一种高效率、节能环保的制备技术；结合这种结构粉体和烧结技术，为低温烧结制备氧化钇陶瓷提供了良好的可行性和广泛的发展前景。

Description

一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料的制备领域，特别涉及一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法。
背景技术
在稀土氧化物中，氧化钇是一种重要的原材料，其具有优异的耐腐蚀性、高透光性及高介电常数等特点，被广泛应用于制备透明陶瓷材料及红外材料等功能材料领域。同时氧化钇具有高熔点和良好的耐热性，使其在耐火材料、高性能结构材料、航空航天工业等领域均获得广泛关注。
钛和钛合金是非常重要的结构和功能材料，在各领域，如航空、航天、车辆工程、生物医学工程等具有很重要的应用价值和前景。这种材料不仅具有较高的成型灵活性，而且制造成本也较低，所以得到国内外研究者的广泛关注。但是，钛在熔融的状态下，其化学活性较高，容易在成型过程中与耐火材料发生化学反应，从而使材料的性能和使用寿命降低。有研究表明，氧化钇与钛及钛合金的反应活性较小，是一种性能优异的钛合金熔炼和铸造用耐火材料。但由于氧化钇熔点较高，制备致密的氧化钇陶瓷材料，需要1700℃左右较高的烧结温度。例如专利CN105110793A将氧化钇粉粒经过6～10h球磨得到尺寸较小的氧化钇粉体，再将粉体通过冷等静压成型，胚体采用气压烧结炉进行烧结，烧结温度为1700～1750℃，烧结保温时间2～4h，烧结过程在氩气气氛下保护。这种高温烧结会导致氧化钇陶瓷晶粒极易长大，降低其强度，并且这种高温烧结增加了制备技术的难度，提高了材料的制备成本。目前在引入烧结助剂来提高陶瓷致密化也有研究，例如专利CN101628812A通过添加一定量的烧结剂，1100～1800℃加热后得到相对密度大于92％的致密氧化钇陶瓷。但烧结剂的加入可能对材料性能产生不利影响，如理论密度的增大和硬度的下降等，这在一定程度上局限了氧化钇陶瓷的应用。
对烧结粉体的微观结构的调控(粉体尺寸和形貌)是提高陶瓷烧结活性和性能的有效方法。已有大量研究报道表明，采用高活性的超细氧化钇粉体为原料来制备氧化钇透明陶瓷是降低温度、提高致密度的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，该方法升温速率快，烧结时间短，可以实现在较低温度下得到高致密的氧化钇陶瓷，具有良好的应用和发展前景。
本发明的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，包括：将介孔氧化钇装入模具中，在真空或者惰性气氛下，进行放电等离子烧结，冷却，研磨，抛光，得到氧化钇陶瓷；其中，放电等离子烧结的温度为1050～1400℃，时间为3～30min，烧结压力为20～200Mpa；介孔氧化钇的制备方法为：将前驱体和表面活性剂溶于溶剂中，加入适量的0.1M氨水，在空气湿度为30％～80％的条件下流延成膜，干燥，热处理，得到介孔氧化钇。
所述介孔氧化钇的孔道排列呈无序，孔径分布在3～10nm，比表面积为50～70g/cm3。
所述介孔氧化钇的制备方法为软模板法。
所述前驱体为六水合三氯化钇，表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123，溶剂为无水乙醇，适量的0.1M氨水，热处理的温度为550～680℃，时间为1.5～4h。
所述YCl3、H2O和CH3CH2OH摩尔比为1:10～20:40～80。
所述干燥的温度不超过100℃，热处理的目的在于除去表面活性剂和易挥发物质。
所述软模板法以溶剂挥发诱导自组装(EISA)原理制备介孔氧化钇粉体。
所述放电等离子烧结的升温速率为100～200℃/min。
所述氧化钇陶瓷的相对密度达到96％以上。
本发明提出利用放电等离子体烧结技术烧结介孔氧化钇粉体制备致密度的氧化钇陶瓷。放电等离子体烧结技术具有升温速率快，烧结时间短等优点，是一种节能环保的制备技术，而且这一烧结技术在烧结过程中可以加压，这对于介孔氧化钇的孔道坍塌和致密化过程是有利的，从而可以实现在较低温度下得到高性能、致密化的氧化钇陶瓷。
有益效果
本发明采用的原料是介孔氧化钇粉体，其具有较大的比表面积、高比表面能和烧结活性好等优点，使其在烧结过程中更容易致密化。在放电等离子体烧结过程中，温度和压力的共同作用下造成孔道坍塌效应，形成更多的表面，从而提高体系表面能进一步提高氧化钇陶瓷的烧结活性，从而在较低的烧结温度下获得致密度高的氧化钇陶瓷。本发明所采用的烧结技术具有升温速率快，烧结时间短等特点，是一种既环保，又高效率的制备技术。结合这种结构粉体和烧结技术，可以为在低温下制备氧化钇透明陶瓷奠定了一定的基础，所以具有良好的应用和发展前景。
附图说明
图1为实施例1中氧化钇烧结体XRD谱图，竖线对应于PDF#65-3178中的标准衍射峰；
图2为实施例2中介孔氧化钇氮气等温吸附-脱附曲线；
图3为实施例2中介孔氧化钇TEM图；
图4为实施例2中氧化钇烧结体的压痕图；
图5为实施例3中氧化钇烧结体的断口形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)采用软模板法—溶剂挥发诱导自组装(EISA)合成介孔氧化钇粉体：取0.75g的P123溶于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解；另外取2.27g的YCl3·6H2O于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解。将以上两种溶液混合剧烈搅拌30min后，缓慢滴加约0.54g的0.1MNH3·H2O，后继续搅拌1h，溶液中YCl3、H2O和CH3CH2OH摩尔比为1：10：40。空气湿度维持在50％，通过流延成膜将其铺成薄膜，放置于60～80℃烘箱中烘干；最后将干燥薄膜刮下放置于坩埚内进行热处理，以5℃/min升温至600℃保温2h，最终得到比表面积为60.5g/cm3的介孔氧化钇粉体，孔径为7.9nm。
(2)将上述合成的介孔氧化钇粉体装入石墨模具中，然后放置于放电等离子体烧结炉的炉腔内进行烧结，烧结过程在真空条件下(真空度为6Pa)进行，升温速率为100℃/min，烧结温度为1200℃，保温10min，烧结时施加的压力为70MPa，烧结完成后随炉自然冷却至室温，将得到的氧化钇烧结体表面进行研磨抛光，得到氧化钇陶瓷材料。经X射线衍射分析鉴定烧结体的晶相，如图1所示。
(3)采用阿基米德原理测定烧结体的密度为4.98g/cm3，相对密度可以达到99.0％。测试烧结体的维氏硬度达7.57GPa，断裂韧性为1.54MPa·m1/2。
实施例2
(1)采用软模板法—溶剂挥发诱导自组装(EISA)合成介孔氧化钇粉体：取1.0g的P123溶于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解；另外取2.27g的YCl3·6H2O于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解。将以上两种溶液混合剧烈搅拌30min后，缓慢滴加约0.54g的0.1MNH3·H2O，后继续搅拌1h，溶液中YCl3、H2O和CH3CH2OH摩尔比为1：10：40。空气湿度维持在45％，通过流延成膜将其铺成薄膜，放置于60～80℃烘箱中烘干；最后将干燥薄膜刮下放置于坩埚内进行热处理，以5℃/min升温至550℃保温4h，最终得到比表面积为63.2g/cm3的介孔氧化钇粉体，孔径约为7.7nm，其氮气等温脱附-吸附曲线如图2所示，属于Ⅳ类型介孔介观结构的特征吸附-脱附曲线图，具有较明显的滞后环。图3给出的是介孔氧化钇的TEM图，属于无序介观结构，孔径大小约为7.7nm左右。
(2)将上述合成的介孔氧化钇粉体装入石墨模具中，然后放置于放电等离子体烧结炉的炉腔内进行烧结，烧结过程在真空条件下(真空度为6Pa)进行，升温速率为100℃/min，烧结温度为1100℃，保温15min，烧结时施加的压力为50MPa，烧结完成后随炉自然冷却至室温，将得到的氧化钇烧结体表面进行研磨抛光，得到氧化钇陶瓷材料。
(3)采用阿基米德原理测定烧结体的密度为4.87g/cm3，相对密度可以达到96.8％。测试烧结体的维氏硬度达7.16GPa，断裂韧性为1.58MPa·m1/2。烧结体的压痕图如图4所示，其压痕形貌清晰，从测试结果看出具有较高的硬度及断裂韧性。
实施例3
(1)采用软模板法—溶剂挥发诱导自组装(EISA)合成介孔氧化钇粉体：取1.25g的P123溶于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解；另外取2.27g的YCl3·6H2O于6.9g的无水乙醇中剧烈搅拌至溶解。将以上两种溶液混合剧烈搅拌30min后，缓慢滴加约0.54g的0.1MNH3·H2O，后继续搅拌1h，溶液中YCl3、H2O和CH3CH2OH摩尔比为1：10：40。空气湿度维持在55％，通过流延成膜将其铺成薄膜，放置于60～80℃烘箱中烘干；最后将干燥薄膜刮下放置于坩埚内进行热处理，以5℃/min升温至680℃保温1.5h，最终得到比表面积为53.6g/cm3的介孔氧化钇粉体，孔径为9nm。
(2)将上述合成的介孔氧化钇粉体装入石墨模具中，然后放置于放电等离子体烧结炉的炉腔内进行烧结，烧结过程在真空条件下(真空度为6Pa)进行，升温速率为100℃/min，烧结温度为1250℃，保温5min，烧结时施加的压力为70MPa，烧结完成后随炉自然冷却至室温，将得到的氧化钇烧结体表面进行研磨抛光，得到氧化钇陶瓷材料。
(3)采用阿基米德原理测定烧结体的密度为5.00g/cm3，相对密度可以达到99.4％。测试烧结体的维氏硬度达7.54GPa，断裂韧性为1.70MPa·m1/2。烧结体的断口形貌如图5所示，其晶粒尺寸在100～200nm范围内，且具有完好的形貌和较少的空隙。

Claims (6)

1.一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，包括：将介孔氧化钇装入模具中，在真空或者惰性气氛下，进行放电等离子烧结，冷却，研磨，抛光，得到氧化钇陶瓷；其中，放电等离子烧结的温度为1050～1400℃，时间为3～30min，烧结压力为20～200Mpa；介孔氧化钇的制备方法为：将前驱体和表面活性剂溶于溶剂中，加入氨水，在空气湿度为30％～80％的条件下流延成膜，干燥，热处理，得到介孔氧化钇。
2.根据权利要求1所述的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，其特征在于，所述介孔氧化钇的孔道排列呈无序，孔径分布在3～10nm，比表面积为50～70g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，其特征在于，所述前驱体为六水合三氯化钇，表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123，溶剂为无水乙醇，氨水的浓度为0.1M，热处理的温度为550～680℃，时间为1.5～4h。
4.根据权利要求3所述的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，其特征在于，所述YCl3、H2O和CH3CH2OH摩尔比为1:10～20:40～80。
5.根据权利要求1所述的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的升温速率为100～200℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于介孔氧化钇制备氧化钇陶瓷的方法，其特征在于，所述氧化钇陶瓷的相对密度达到96％以上。
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