CN108147814B - 一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法 - Google Patents

一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法，其主要改进点为先将锆源通过水热法制备成氧化锆粉体，然后制备成浆料成型处理，最后在温度1250～1350℃下直接烧结制备得到。本发明制备得到的陶瓷体中含有80‑99mol％氧化锆，1‑5mol％Y2O3和其它成分不超过1％的烧结体。其相对密度≥99.1％，三点抗弯强度≥500MPa。烧结体质地均匀，强度高，可应用于制备氧传感器。而且本发明工艺简单，无需压力即可实现低温烧结，有利于进行大范围地推广。

Description

一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及复合非金属材料技术领域，具体涉及一种低温氧化锆陶瓷的烧结方法。
背景技术
氧传感器中的电极材料的烧结温度较低(<1300℃)，这就要求粘结材料的烧结温度不能过高，而不同烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响差别很大。尤其是1300℃左右的氧化锆是很难烧结致密的。国内外关于陶瓷烧结的报道很多，但基本上都得在高温烧结条件下(1400～1550℃)，如何实现在较低温度的烧结维持自身导电性又具有一定强度、韧性的氧化锆陶瓷的还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法，包括如下步骤：
1)通过水热法制备得到氧化锆粉体；
2)将所述氧化锆粉体与水和分散剂混合，制得浆料，对所述浆料进行成型处理，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯在温度1250～1350℃的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。
优选的，所述氧化锆粉体由如下方法制备得到：
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.1-0.65mol/L的溶液，在压力0.2-0.6MPa，温度100-200℃条件下水热反应6-120h；
B、在步骤A所得溶液中加入为所述锆元素质量1％-20％Y2O3，然后调节溶液的pH为8.0-10.5，至沉淀完全；
C、将上述含有沉淀物溶液水洗至pH为7.0-8.5，烘干即得氧化锆粉体。
优选的，所述锆盐为氧氯化锆，醋酸锆，碳酸锆中的一种或几种。
优选的，步骤A中，所述锆离子的浓度为0.2～0.5mol/L；所述水热反应的条件为：温度110-150℃，压力0.4-0.6MPa，时间6-120h。
优选的，步骤B中所述Y2O3的量为所述锆元素质量的3～10％，调节溶液的pH为9.0～10.0；
优选的，所述步骤C中水洗至pH为7.0～7.5。
优选的，所述步骤2)中所使用的分散剂为聚丙烯酸或聚乙烯醇，其中聚丙稀的效果更好。
优选的，所述步骤2)中氧化锆粉体、分散剂和水的用量比为100:1:(15～40)。
更优选的，所述步骤2)中氧化锆粉体、分散剂和水的用量比为100:1:(20～40)。
优选的，所述步骤2)中成型处理的具体操作为将所述浆料倒入具有特定形状的模具中，室温下静置1～48h后，脱模，取出坯体。
优选的，所述步骤3)中煅烧的具体操作为按照0.5-5℃/min的升温速率升温至烧结温度后，保温1-10h。
进一步优选的，所述步骤3)中煅烧的具体操作为按照0.5-2℃/min的升温速率升温至烧结温度后，保温2-8h。
作为优选的方案，本发明的方法包括如下步骤：
1)水热法制备氧化锆粉体
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.35-0.45mol/L的溶液，在压力为0.4-0.6MPa，温度120-140℃条件下水热反应60-80h，；
B、在步骤1)所得溶液中加入为所述锆元素质量5-7％Y2O3，然后调节溶液的pH为9-10，至沉淀完全；
C、将上述所得含沉淀物溶液水洗至pH至7-7.5，烘干即得氧化锆粉体。
2)将所述氧化锆粉体、聚丙烯和水的用量比为100:1:(15-40)混合制得浆料，对所述浆料进行球磨、注浆成型处理后，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯以0.5-5℃/min的升温速率升至1250-1350℃后，保温1-10h的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。
本发明的另一目的是保护本申请所述方法制备得到的氧化锆陶瓷体。
本发明的最后一个目的是保护本申请所述的氧化锆陶瓷在制备氧传感器、陶瓷刀、手表外壳、手机外壳、磨具和饰品中的应用。
本发明所述的方法具有如下有益效果：
1)本发明工艺简单，通过水热法制备粉体的工艺，将所制备的粉体一步成型，无需压力烧结，烧结体质地均匀，强度高，可应用于制备氧传感器。
2)本发明通过水热法制备氧化锆粉体，可在较低的温度下(1250～1350℃)烧结得到氧化锆陶瓷。
3)本发明制造得到的低温烧结氧化锆陶瓷的密度达6.0g/cm3以上，相对密度≥99.1％，三点抗弯强度≥500MPa。烧结体中氧化锆含量为80-99mol％，Y2O3含量为1-20mol％，其它成分不超过1％。
附图说明
图1为实施例1所得烧结陶瓷样品表面形貌。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例涉及一种氧化锆陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
1)水热法制备氧化锆粉体
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.4mol/L的溶液，在130℃条件下水热反应72h，压力为0.4MPa；
B、在步骤A所得溶液中加入为所述锆元素质量6％Y2O3，然后调节溶液的pH为9.5，至沉淀完全；
C、将上述所得含沉淀物溶液水洗至pH至7.5，烘干即得氧化锆粉体。
2)将所述氧化锆粉体300g与分散剂聚丙烯酸3.0g以及水45g混合，制得浆料，对所述浆料进行球磨、注浆成型处理后，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯以0.5℃/min的升温速率升至1250℃后，保温2h的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。由图1可知，本申请制备得到的陶瓷气孔率低，陶瓷内部晶粒尺寸为亚微米级，平均晶粒尺寸在200nm以下，密度为6.01g/cm3，三点抗弯强度为500MPa。
实施例2
本实施例涉及一种氧化锆陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
1)水热法制备氧化锆粉体
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.1mol/L的溶液，在140℃条件下水热反应6h，压力为0.5MPa；
B、在步骤A所得溶液中加入为所述锆元素质量5％Y2O3，然后调节溶液的pH为9.0，至沉淀完全；
C、将上述所得含沉淀物溶液水洗至pH至7，烘干即得氧化锆粉体。
2)将所述氧化锆粉体200g与分散剂聚乙烯醇2g以及水80g混合，制得浆料，对所述浆料进行注浆成型处理，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯以3℃/min的升温速率升至1300℃后，保温2h的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。密度为6.09g/cm3，三点抗弯强度为900MPa。
实施例3
本实施例涉及一种氧化锆陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
1)水热法制备氧化锆粉体
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.65mol/L的溶液，在150℃条件下水热反应96h，反应压力为0.6MPa；
B、在步骤1)所得溶液中加入为所述锆元素质量1％Y2O3，然后调节溶液的pH为10.5，至沉淀完全；
C、将上述所得含沉淀物溶液水洗至pH至8.0，烘干即得氧化锆粉体。
2)将所述氧化锆粉体300g与分散剂聚丙烯酸3g以及水60g混合，制得浆料，对所述浆料进行注浆成型处理，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯以1℃/min的升温速率升至1350℃后，保温2h的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。密度为6.09g/cm3，三点抗弯强度为850Mpa。
对比例1
与实施例1相比，其区别在于，制备氧化锆颗粒的步骤为氧氯化锆与沉淀剂氨水反应后，产生沉淀物，通过水洗、抽滤干燥后得到前驱体化合物。
对该种方法下制得氧化锆粉体，通过相同的成型方式获得的陶瓷素坯须在1450℃以上烧结才能获得密度>6.0g/cm3的陶瓷样品。
对比例2
与实施例1相比，其区别在于，所述分散剂为聚乙二醇或吐温80等。与实施例1相比，该对比例的浆料的流动性不好，制备得到的陶瓷材料的性能较差。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种低温烧结氧化锆陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)水热法制备氧化锆粉体
A、将可溶性锆盐配置成锆离子浓度为0.35-0.45mol/L的溶液，在压力为0.4-0.6MPa，温度120-140℃条件下水热反应60-80h；
B、在步骤A 所得溶液中加入所述锆元素质量5-7％Y2O3，然后调节溶液的pH为9-10，至沉淀完全；
C、将上述所得含沉淀物溶液水洗至pH至7-7.5，烘干即得氧化锆粉体；
2)将所述氧化锆粉体、聚丙烯酸和水的用量比为100:1:(15-40)混合制得浆料，对所述浆料进行球磨、注浆成型处理后，得陶瓷素坯；
3)对所述陶瓷素坯以0.5-5℃/min的升温速率升至1250-1350℃后，保温1-10h的条件下进行烧结，得所述氧化锆陶瓷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锆盐为氧氯化锆，醋酸锆，碳酸锆中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中成型处理的具体操作为将所述浆料倒入模具中，室温下静置1-48h后，脱模，取出坯体。
4.权利要求1～3任一项所述方法制备得到的氧化锆陶瓷。
5.权利要求4所述的氧化锆陶瓷在制备氧传感器、陶瓷刀、手表外壳、手机外壳、磨具和饰品中的应用。
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