CN112778798B - 一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及陶瓷领域,具体公开了一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及其制备方法。黑色陶瓷色料包含复合掺杂型材料Ti1‑x‑y(AxBy)Oz,A选自Mg、Ca、Sr、Zn、La、Sm、Bi、In中至少一种,B选自Ta、Sn、Nb、Fe中至少一种,0.001<x<0.15,0.001<y<0.2。黑色陶瓷色料还可包含发色剂,发色剂选自含铬氧化物、氧化钨、氧化钼中至少一种金属氧化物,Ti与发色剂中金属元素的摩尔比为(20~99):1。黑色氧化锆陶瓷粉体包括钇稳定氧化锆75~97份、黑色陶瓷色料3~25份。本申请能得到颜色纯正、颜色均匀、颜色可控性佳的黑色氧化锆陶瓷。

Description

一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及 其制备方法
技术领域
本申请涉及陶瓷领域,更具体地说,它涉及一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及其制备方法。
背景技术
氧化锆陶瓷具有低导热系数、低热膨胀系数、高化学稳定性、机械性能优异等特点,在食器、装饰件、研磨体、牙科材料、耐火材料、氧传感器等行业具有广泛应用。
彩色氧化锆陶瓷是由氧化锆陶瓷和陶瓷色料共同制备而成,陶瓷色料对氧化锆陶瓷起到着色效果,其中,黑色陶瓷色料由于能够赋予陶瓷产品端庄、典雅、高贵的装饰形态而深受人们的喜爱,在陶瓷表壳组件、各种陶瓷饰品、手机结构件中应用广泛。
然而,黑色氧化锆陶瓷是彩色陶瓷中的热点和难点,普遍具有颜色淡不纯正、颜色不均匀、颜色可控性差的缺陷。例如,公开号为CN109181368A的专利申请公开了一种陶瓷色料及其制备方法,将环保红加入到含铬粗化液废料中制备黑色陶瓷色料。该制备方法中,使用含有铬的废料做为制备黑色陶瓷料的原料,这本身就存在黑色陶瓷色料的颜色不可控的缺陷,从而难于制备出高品质黑色陶瓷。
发明内容
为了获得一种颜色纯正、颜色均匀、颜色可控性佳的黑色氧化锆陶瓷,本申请提供一种黑色陶瓷色料、黑色氧化锆陶瓷粉体、黑色氧化锆陶瓷及其制备方法。
第一方面,本申请提供一种黑色陶瓷色料,采用如下的技术方案:
一种黑色陶瓷色料,包含复合掺杂型材料,复合掺杂型材料的化学通式为Ti1-x-y(AxBy)Oz,其中,A选自Mg、Ca、Sr、Zn、La、Sm、Bi、In中的至少一种;B选自Ta、Sn、Nb、Fe中的至少一种;0.001<x<0.15,0.001<y<0.2。
可选的,x的取值范围可以为:0.001<x<0.05,0.05<x<0.1,0.1<x<0.15;x的取值范围可以为:0.001<y<0.05,0.05<y<0.1,0.1<y<0.15,0.15<y<0.2等。
通过采用上述技术方案,本申请采用复合掺杂的形式获得黑色的复合掺杂型材料,用于黑色陶瓷的制备。复合掺杂型材料Ti1-x-y(AxBy)Oz的主体成分为氧化钛(TiO2),A、B为掺杂元素。
上述复合掺杂型材料涉及元素的离子半径数据汇总于表1。
表1复合掺杂型材料涉及元素的离子半径
Figure BDA0002879579140000021
由表1可以看出,A的离子半径均大于钛的离子半径,B的离子半径均接近钛的离子半径。具有较大离子半径的A能够进入氧化钛晶格,取代氧化钛中的Ti4+离子,产生晶格缺陷,配合调整掺杂量,使得复合掺杂型材料显示出黑色,将含有该种黑色复合掺杂型材料的黑色陶瓷色料添加至白色的氧化锆粉体中,经过烧结,在发色剂的作用下,能够使得黑色在氧化锆陶瓷中得到很好的展现,获得颜色纯正、颜色均匀、颜色可控性佳的黑色氧化锆陶瓷。
再者,发明人在研发过程中发现,单纯具有较大离子半径的A掺杂氧化钛时,A的大离子难于进入到氧化钛晶格,其固溶度非常低,一般<1%,这使得此时的黑色陶瓷色料的颜色很淡,甚至不显示黑色,达不到应用要求。而本申请采用具有较大离子半径的A和较小离子半径的B的复合掺杂的形式,B的离子半径相对较小,其进入到氧化钛晶格中能够使氧化钛产生晶格的畸变,从而促进具有较大离子半径的A进入到氧化钛晶格,即,B增加了A在氧化钛中的固溶度,实验证明,B的加入可使得A在氧化钛中的固溶度提升至35%,这对黑色陶瓷色料的颜色的调配起了巨大的作用。
此外,针对应用于可穿戴设备或智能终端设备中的黑色陶瓷来说,很多情况下,要求黑色陶瓷中不含铁离子,因为铁离子具有一定的磁性,会对设备信号产生干扰。而本申请提供的方案中包含不含铁离子的黑色陶瓷色料,可用于对免信号干扰要求较高的可穿戴设备或智能终端设备中。
可选的,所述复合掺杂型材料的主体成分氧化钛可以为金红石型氧化钛、锐钛矿型氧化钛、板钛矿型氧化钛中的至少一种,优选锐钛矿型氧化钛,因为锐钛矿型氧化钛相比金红石型氧化钛和板钛矿型二氧化钛具有更高的表面活性。
可选的,所述A源选自氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化锌(ZnO)、氧化镧(La2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铋(Bi2O3)、氧化铟(In2O3);所述B源选自氧化钽(Ta2O5)、氧化锡(SnO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铁(Fe2O3)。
当A、B都只掺杂一种元素时,z的计算可参考以下公式:A价态为2、B价态为5时,z=2-x+y/2;A价态为2、B价态为4时,z=2-x;A价态为2、B价态为3时,z=2-x-y/2;A价态为3、B价态为5时,z=2-x/2+y/2;A价态为3、B价态为4时,z=2-x/2;A价态为3、B价态为3时,z=2-x/2-y/2。
当A、B都掺杂几种元素时,复合掺杂型材料的化学通式也可以写作Ti1-x1-x2-y1-y2-y3(A1x1A2x2B1y1B2y2B3y3)Oz,其中:0.001<x1+X2<0.15,0.001<y1+y2+y3<0.2,0≤x1,X2<0.15,0≤y1,y2,y3<0.2;A1价态为2,A2价态为3,B1价态为5,B2价态为4,B3价态为3。此时,z的计算可参考以下公式:z=2-x1-x2/2+y1/2-y3/2。
可选的,所述黑色陶瓷色料还可以包含发色剂,发色剂选自含铬氧化物、氧化钨(WO2)、氧化钼(MoO3)中的至少一种金属氧化物,所述复合掺杂型材料中的Ti与发色剂中金属元素的摩尔比为(20~99):1。发色剂在陶瓷烧结时起作用,但可先与复合掺杂型材料混合,作为黑色陶瓷色料的一部分。
可选的,所述复合掺杂型材料中的Ti与发色剂中金属元素的摩尔比可以为(20~40):1,(40~60):1,(60~99):1等。
可选的,发色剂选择氧化铬(Cr2O3)。
第二方面,本申请提供上述黑色陶瓷色料的制备方法,采用如下的技术方案:
一种上述黑色陶瓷色料的制备方法,所述复合掺杂型材料的制备包括有以下步骤:将复合掺杂型材料的主体成分、A源、B源混合研磨后烧结。
可选的,将复合掺杂型材料的主体成分、A源、B源混合研磨至0.1~0.5μm,之后,于1200~1550℃烧结1~6h,烧结气氛为空气或还原气氛或真空气氛。还原气氛可以为90~97%N2和3~10%H2的混合气体。
可选的,在将复合掺杂型材料的主体成分、A源、B源混合研磨之前,先进行干燥处理,使其含水率<0.1%,以达到精准控制原料配比。具体干燥操作可以为:采用烘干,烘干温度120~200℃,烘干时间2~5h。
可选的,混合研磨时,可以采用球磨或砂磨,此时,将球磨或砂磨后的产物干燥至含水率<0.2%,再进行烧结。球磨的具体操作可以为:按重量份数,将干燥后的主体成分、A源、B源共计100份、纯水300~600份、分散剂0.1~1份加入球磨罐,分散剂可以采用聚丙烯酸铵类,向球磨罐中加入200~700份
Figure BDA0002879579140000041
的锆球,然后,将球磨罐置于球磨机上,转速设定为150~450rpm,球磨1~8h。砂磨的具体操作与球磨类似,砂磨机中选用的锆球为0.3~0.5mm,转速为1200~3600rpm。具体干燥操作可以为:采用烘干,烘干温度100~250℃,时间5~15h。
可选的,将烧结产物粉碎,并与发色剂混合研磨获得粉质的黑色陶瓷色料。
可选的,将烧结产物粉碎后,过200~400目筛,获得粉碎产物,之后,将粉碎产物与发色剂混合研磨、干燥,过200~500目筛,得到粉质的黑色陶瓷色料。同样的,研磨可以采用球磨或砂磨。球磨的具体操作可以为:按重量份数,将将粉碎产物与发色剂共计100份、纯水300~600份、分散剂0.1~1份加入球磨罐,分散剂可以采用聚丙烯酸铵类,向球磨罐中加入200~700份
Figure BDA0002879579140000042
的锆球,然后,将球磨罐至于球磨机上,转速设定为150~450rpm,球磨1~8h。砂磨的具体操作与球磨类似,砂磨机中选用的锆球为0.3~0.5mm,转速为1200~3600rpm。由于获得的黑色陶瓷色料后续要用于制备黑色氧化锆陶瓷粉体,故,为了精准称量配料,也需要将混合研磨产物干燥至含水率<0.1%,具体干燥操作可以为:采用烘干,烘干温度100~250℃,时间5~15h。
第三方面,本申请提供一种黑色氧化锆陶瓷粉体,采用如下的技术方案:
一种黑色氧化锆陶瓷粉体,按重量份数,包括有以下组分:钇稳定氧化锆75~97份、上述含有复合掺杂型材料和发色剂的黑色陶瓷色料3~25份。
可选的,钇稳定氧化锆中氧化钇的摩尔分数可以为2~10%。
通过采用上述方案,该黑色氧化锆陶瓷粉体经过烧结(烧结温度为1350~1550℃,烧结时间为1~8h),能够获得一种颜色纯正、颜色均匀的黑色氧化锆陶瓷。
第四方面,本申请提供一种上述黑色氧化锆陶瓷粉体的制备方法,采用如下的技术方案:
一种黑色氧化锆陶瓷粉体的制备方法,包括有以下步骤:
将黑色氧化锆陶瓷粉体的原料混合研磨后,经喷雾造粒工艺制得黑色氧化锆陶瓷粉体。
可选的,黑色氧化锆陶瓷粉体的原料混合研磨可以采用砂磨,具体操作可以为:按重量份数,将黑色氧化锆陶瓷粉体的原料100份、纯水80~120份、分散剂0.1~1份加入砂磨机,分散剂可以采用聚丙烯酸铵类,向砂磨机中加入
Figure BDA0002879579140000051
的锆球(添加的锆球体积占砂磨机研磨腔体积的30~70%),转速设定为1200~3600rpm,砂磨时间为0.5~5h,控制砂磨产物粉体的粒度D50=0.3~1.5um。
陶瓷粉体的粒径小,对烧结后获得的陶瓷的力学性能有益,会增加陶瓷的抗弯强度和韧性,而且也会降低陶瓷的烧结温度,但是,陶瓷粉体的粒径过小,也会导致难于分散。故,综合考量下,本申请将砂磨产物粉体的粒度控制在D50=0.3~1.5um的范围内。
喷雾造粒工艺的具体操作为:将黑色氧化锆陶瓷粉体的原料混合研磨后的产物与聚乙烯醇胶水按100:(12~30)的重量比混合,获得浆料,其中,聚乙烯醇胶水中聚乙烯醇的质量分数为5~12%。然后,将浆料通过喷雾造粒得到黑色氧化锆陶瓷粉体,喷雾干燥塔进料温度控制在150~250℃,出料温度控制在90~130℃。
采用喷雾造粒工艺获得的黑色氧化锆陶瓷粉体进行陶瓷制备时,可以先采用热压成型将黑色氧化锆陶瓷粉体干压成所需结构形状,然后通过烧结获得所需结构形状的黑色氧化锆陶瓷。除此之外,还可以采用流延工艺获得薄板片状的黑色氧化锆陶瓷,此时,喷雾造粒步骤不需要添加聚乙烯醇胶水等粘接剂。
第三方面,本申请提供一种黑色氧化锆陶瓷,由上述的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成。
可选的,所述黑色氧化锆陶瓷的烧结温度为1350~1550℃,烧结时间为1~8h。
综上所述,本申请具有以下有益效果:
1、本申请提供的黑色陶瓷色料中包含复合掺杂型材料Ti1-x-y(AxBy)Oz,该复合掺杂型材料通过具有较大离子半径的A进入氧化钛晶格,取代氧化钛中的Ti4+离子,产生晶格缺陷,使得复合掺杂型材料显示出黑色,进而用于制备黑色氧化锆陶瓷;
2、上述复合掺杂型材料Ti1-x-y(AxBy)O2中,通过采用具有较大离子半径的A和较小离子半径的B的复合掺杂的形式,使得A在氧化钛中的固溶度由<1%提升至35%,这对黑色陶瓷色料的颜色的调配起了巨大的作用;
3、本申请提供的方案中包含不含铁离子的黑色陶瓷色料,可用于对免信号干扰要求较高的可穿戴设备或智能终端设备中。
附图说明
图1是本申请实施例16获得的黑色氧化锆陶瓷的照片。
具体实施方式
以下对本申请作进一步详细说明。
原料说明
以下实施例和对比例中采用的钇稳定氧化锆(氧化钇的摩尔分数为2~10%)购自市场,其颜色呈白色。
实施例
实施例1~4为从制备不含发色剂的黑色陶瓷色料、含有发色剂的黑色陶瓷色料、黑色陶瓷色料粉体、黑色陶瓷的一个系列,同样的,实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16分别为一个系列。
实施例1
一种黑色陶瓷色料,包含化学通式为Ti1-x-y(AxBy)Oz的复合掺杂型材料,其中,A为Bi,B为Sn、Fe,x=0.001,y=0.2(Sn、Fe分别为0.1、0.1),z=1.9495,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将原料于120℃下烘干5h,使得各原料的含水率均<0.1%;
(2)原料球磨及干燥:将经过步骤(1)干燥后的金红石型氧化钛63.8161kg、氧化铋0.2330kg、氧化锡15.071kg、氧化铁7.9844kg(共计87.1045kg)添加至球磨罐中,加入260kg纯水、0.87kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入175kg的
Figure BDA0002879579140000061
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速150rpm,球磨时间1h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度100℃,时间15h,获得粒径为0.1~0.5μm、含水率<0.2%的物料;
(3)烧结:将步骤(2)的产物置于烧结炉中,烧结温度为1200℃,烧结时间为6h,烧结气氛为空气;
(4)粉碎过筛:将步骤(3)的烧结产物置于粉碎机中粉碎,过200目筛。
实施例2
一种黑色陶瓷色料,包括实施例1获得的复合掺杂型材料和发色剂氧化钨,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将氧化钨于120℃下烘干5h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨及干燥:将实施例1获得的全部的复合掺杂型材料和经过(1)干燥后的氧化铬3.036kg添加至球磨罐中,加入260kg纯水、0.87kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入175kg的
Figure BDA0002879579140000062
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速150rpm,球磨时间1h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度100℃,时间15h,获得含水率<0.1%的物料;
(3)过筛:将步骤(2)的产物过200目筛,得到黑色陶瓷色料。
实施例3
一种黑色氧化锆陶瓷粉体,包括实施例2的黑色陶瓷色料和钇稳定氧化锆,采用喷雾干燥法制备,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将钇稳定氧化锆于120℃下烘干5h,使得其含水率<0.1%;
(2)砂磨混合:将钇稳定氧化锆75kg、实施例2的黑色陶瓷色料25kg、纯水80kg、聚丙烯酸铵类分散剂0.1kg加入砂磨机,向砂磨机中加入5Kg的
Figure BDA0002879579140000071
的锆球,转速设定为1200rpm,砂磨时间为5h,获得粒度D50=0.3~1.5um的砂磨产物。
(3)添加助剂:将步骤(2)得到的球磨产物出料至搅拌料筒,搅拌速度80rpm,加入聚乙烯醇胶水12kg(聚乙烯醇胶水含量12%),搅拌5h,得到浆料;
(4)喷雾造粒:将步骤(2)得到的浆料使用喷雾干燥塔干燥,喷塔进料温度150℃,出料温度控制在90℃,得到黑色氧化锆陶瓷粉体。
实施例4
一种黑色氧化锆陶瓷,由实施例3获得的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成,制备过程包括有以下步骤:
将实施例3获得的黑色氧化锆陶瓷粉体使用干压成型制得生坯,将生坯密封包装后置于水等静压设备中,用50MPa的压力压制51min,之后,于1350℃下烧结8h,对烧结后的坯体经过常规的CNC加工和抛光处理,获得黑色氧化锆陶瓷。
实施例5
一种黑色陶瓷色料,包含化学通式为Ti1-x-y(AxBy)O2的复合掺杂型材料,其中,A为Zn、In,B为Nb,x=0.1(Zn、In分别为0.05、0.05),y=0.1,z=1.975,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将原料于160℃下烘干3h,使得各原料的含水率均<0.1%;
(2)原料球磨及干燥:将经过步骤(1)干燥后的锐钛矿型氧化钛68.6882kg、氧化锌4.0695kg、氧化铟6.9409kg、氧化铌13.2905kg(共计92.989kg)添加至球磨罐中,加入400kg纯水、0.5kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入500kg的
Figure BDA0002879579140000072
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速300rpm,球磨时间5h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度150℃,时间10h,获得粒径为0.1~0.5μm、含水率<0.2%的物料;
(3)烧结:将步骤(2)的产物置于烧结炉中,烧结温度为1300℃,烧结时间为4h,烧结气氛为真空气氛;
(4)粉碎过筛:将步骤(3)的烧结产物置于粉碎机中粉碎,过300目筛。
实施例6
一种黑色陶瓷色料,包括实施例5获得的复合掺杂型材料和发色剂氧化铬,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将氧化铬于160℃下烘干3h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨及干燥:将实施例5获得的全部的复合掺杂型材料和经过(1)干燥后的氧化钨3.4534kg添加至球磨罐中,加入400kg纯水、0.5kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入500kg的
Figure BDA0002879579140000081
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速300rpm,球磨时间5h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度150℃,时间10h,获得含水率<0.1%的物料;
(3)过筛:将步骤(2)的产物过300目筛,得到黑色陶瓷色料。
实施例7
一种黑色氧化锆陶瓷粉体,包括实施例6的黑色陶瓷色料和钇稳定氧化锆,采用喷雾干燥法制备,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将钇稳定氧化锆于160℃下烘干3h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨混合:将钇稳定氧化锆85kg、实施例6的黑色陶瓷色料15kg、纯水100kg、聚丙烯酸铵类分散剂0.5kg加入砂磨机,向砂磨机中加入15Kg的
Figure BDA0002879579140000083
的锆球,转速设定为2000rpm,砂磨时间为2h,获得粒度D50=0.3~1.5um的球磨产物。
(3)添加助剂:将步骤(2)得到的球磨产物出料至搅拌料筒,搅拌速度150rpm,加入聚乙烯醇胶水20份(聚乙烯醇胶水含量8%),搅拌3h,得到浆料;
(4)喷雾造粒:将步骤(3)得到的浆料使用喷雾干燥塔干燥,喷塔进料温度200℃,出料温度控制在110℃,得到黑色氧化锆陶瓷粉体。
实施例8
一种黑色氧化锆陶瓷,由实施例7获得的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成,制备过程包括有以下步骤:
将实施例7获得的黑色氧化锆陶瓷粉体使用干压成型制得生坯,将生坯密封包装后置于水等静压设备中,用100MPa的压力压制40min,之后,于1400℃下烧结5h,对烧结后的坯体经过常规的CNC加工和抛光处理,获得黑色氧化锆陶瓷。
实施例9
一种黑色陶瓷色料,包含化学通式为Ti1-x-y(AxBy)O2的复合掺杂型材料,其中,A为Mg、La、Sm,B为Ta,x=0.15(Mg、La、Sm分别为0.05、0.05、0.05),y=0.001,z=1.9005,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将原料于200℃下烘干2h,使得各原料的含水率均<0.1%;
(2)原料球磨及干燥:将经过步骤(1)干燥后的板钛矿型氧化钛67.8096kg、氧化镁2.015kg、氧化镧8.1452kg、氧化钐8.718kg、氧化钽0.2210kg(共计86.9088kg)添加至球磨罐中,加入520kg纯水、0.09kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入610kg的
Figure BDA0002879579140000082
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速450rpm,球磨时间8h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度250℃,时间5h,获得粒径为0.1~0.5μm、含水率<0.2%的物料;
(3)烧结:将步骤(2)的产物置于烧结炉中,烧结温度为1550℃,烧结时间为1h,烧结气氛为95%N2和5%H2的混合气体;
(4)粉碎过筛:将步骤(3)的烧结产物置于粉碎机中粉碎,过400目筛。
实施例10
一种黑色陶瓷色料,包括实施例9获得的复合掺杂型材料和发色剂氧化钼,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将氧化钼于200℃下烘干2h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨及干燥:将实施例9获得的全部的复合掺杂型材料和经过(1)干燥后的氧化钼1.2344kg添加至球磨罐中,加入600kg纯水、0.1kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入700kg的
Figure BDA0002879579140000091
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速450rpm,球磨时间8h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度250℃,时间5h,获得含水率<0.1%的物料;
(3)过筛:将步骤(2)的产物过500目筛,得到黑色陶瓷色料。
实施例11
一种黑色氧化锆陶瓷粉体,包括实施例10的黑色陶瓷色料和钇稳定氧化锆,采用喷雾干燥法制备,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将钇稳定氧化锆于200℃下烘干2h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨混合:将钇稳定氧化锆97kg、实施例10的黑色陶瓷色料3kg、纯水120kg、聚丙烯酸铵类分散剂1kg加入砂磨机,向砂磨机中加入25Kg的
Figure BDA0002879579140000092
的锆球,转速设定为3600rpm,砂磨时间为0.5h,获得粒度D50=0.3~1.5um的球磨产物。
(3)添加助剂:将步骤(2)得到的球磨产物出料至搅拌料筒,搅拌速度200rpm,加入聚乙烯醇胶水30kg(聚乙烯醇胶水含量5%),搅拌0.5h,得到浆料;
(4)喷雾造粒:将步骤(2)得到的浆料使用喷雾干燥塔干燥,喷塔进料温度250℃,出料温度控制在130℃,得到黑色氧化锆陶瓷粉体。
实施例12
一种黑色氧化锆陶瓷,由实施例11获得的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成,制备过程包括有以下步骤:
将实施例11获得的黑色氧化锆陶瓷粉体使用干压成型制得生坯,将生坯密封包装后置于水等静压设备中,用200MPa的压力压制30min,之后,于1550℃下烧结1h,对烧结后的坯体经过常规的CNC加工和抛光处理,获得黑色氧化锆陶瓷。
实施例13
一种黑色陶瓷色料,包含化学通式为Ti1-x-y(AxBy)O2的复合掺杂型材料,其中,A为Ca、Sr,B为Sn,x=0.08(Ca、Sr分别为0.05、0.03),y=0.08,z=1.92,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将原料于160℃下烘干3h,使得各原料的含水率均<0.1%;
(2)原料球磨及干燥:将经过步骤(1)干燥后的锐钛矿型氧化钛67.0908kg、氧化钙2.8039kg、氧化锶3.1089kg、氧化锡12.0568kg(共计85.06kg)添加至球磨罐中,加入400kg纯水、0.5kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入500kg的
Figure BDA0002879579140000101
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速300rpm,球磨时间5h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度150℃,时间10h,获得粒径为0.1~0.5μm、含水率<0.2%的物料;
(3)烧结:将步骤(2)的产物置于烧结炉中,烧结温度为1300℃,烧结时间为4h,烧结气氛为真空气氛;
(4)粉碎过筛:将步骤(3)的烧结产物置于粉碎机中粉碎,过300目筛。
实施例14
一种黑色陶瓷色料,包括实施例13获得的复合掺杂型材料和发色剂氧化铬,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将氧化铬于160℃下烘干3h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨及干燥:将实施例13获得的全部的复合掺杂型材料和经过(1)干燥后的氧化铬1.0639kg添加至球磨罐中,加入400kg纯水、0.5kg聚丙烯酸胺类分散剂,再加入500kg的
Figure BDA0002879579140000103
锆球,将球磨罐置于球磨机上,设定转速300rpm,球磨时间5h;球磨完成后出料于托盘内烘干,烘干温度150℃,时间10h,获得含水率<0.1%的物料;
(3)过筛:将步骤(2)的产物过300目筛,得到黑色陶瓷色料。
实施例15
一种黑色氧化锆陶瓷粉体,包括实施例14的黑色陶瓷色料和钇稳定氧化锆,采用喷雾干燥法制备,制备过程包括有以下步骤:
(1)原料干燥处理:将钇稳定氧化锆于160℃下烘干3h,使得其含水率<0.1%;
(2)球磨混合:将钇稳定氧化锆85kg、实施例14的黑色陶瓷色料15kg、纯水100kg、聚丙烯酸铵类分散剂0.5kg加入砂磨机,向砂磨机中加入15Kg的
Figure BDA0002879579140000102
的锆球,转速设定为2000rpm,砂磨时间为2h,获得粒度D50=0.3~1.5um的球磨产物。
(3)添加助剂:将步骤(2)得到的球磨产物出料至搅拌料筒,搅拌速度150rpm,加入聚乙烯醇胶水20份(聚乙烯醇胶水含量8%),搅拌3h,得到浆料;
(4)喷雾造粒:将步骤(3)得到的浆料使用喷雾干燥塔干燥,喷塔进料温度200℃,出料温度控制在110℃,得到黑色氧化锆陶瓷粉体。
实施例16
一种黑色氧化锆陶瓷,由实施例15获得的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成,制备过程包括有以下步骤:
将实施例15获得的黑色氧化锆陶瓷粉体使用干压成型制得生坯,将生坯密封包装后置于水等静压设备中,用100MPa的压力压制40min,之后,于1400℃下烧结5h,对烧结后的坯体经过常规的CNC加工和抛光处理,获得黑色氧化锆陶瓷。
对比例
对比例1~4为从制备不含发色剂的陶瓷色料、含有发色剂的陶瓷色料、陶瓷色料粉体、陶瓷的一个系列,同样的,对比例5~8、对比例9~12分别为一个系列。
对比例1
一种陶瓷色料,与实施例13的不同之处在于:
复合掺杂型材料中不掺杂B,仅掺杂A,复合掺杂型材料的化学通式为Ti1-x(Ax)Oz,其中,A为Ca、Sr,x=0.08(Ca、Sr分别为0.05、0.03),z=1.92;
制备步骤(2)中采用的原料为:锐钛矿型氧化钛73.4804kg、氧化钙2.8039kg、氧化锶3.1089kg(共计79.3928kg)。
对比例2
一种陶瓷色料,与实施例14的不同之处在于:
采用对比例1获得的复合掺杂型材料;
制备步骤(2)中采用的原料为:对比例1获得的全部的复合掺杂型材料和干燥后的氧化铬1.1653kg。
对比例3
一种氧化锆陶瓷粉体,与实施例15的不同之处在于:
采用对比例2获得的陶瓷色料。
对比例4
一种氧化锆陶瓷,与实施例16的不同之处在于:
采用对比例3获得的氧化锆陶瓷粉体。
对比例5
一种陶瓷色料,与实施例13的不同之处在于:
复合掺杂型材料中不掺杂B,仅掺杂A,复合掺杂型材料的化学通式为Ti1-x(Ax)Oz,其中,A为Zn、Sm,x=0.03(Zn、Sm分别为0.02、0.01),z=1.975;
制备步骤(2)中采用的原料为:锐钛矿型氧化钛77.4739kg、氧化锌1.6278kg、氧化钐1.7436kg(共计80.8453kg)。
对比例6
一种陶瓷色料,与实施例14的不同之处在于:
采用对比例5获得的复合掺杂型材料;
制备步骤(2)中采用的原料为:对比例5获得的全部的复合掺杂型材料和干燥后的氧化铬1.2286kg。
对比例7
一种氧化锆陶瓷粉体,与实施例15的不同之处在于:
采用对比例6获得的陶瓷色料。
对比例8
一种氧化锆陶瓷,与实施例16的不同之处在于:
采用对比例7获得的氧化锆陶瓷粉体。
对比例9
一种陶瓷色料,与实施例13的不同之处在于:
复合掺杂型材料中不掺杂B,仅掺杂A,复合掺杂型材料的化学通式为Ti1-x(Ax)O2,其中,A为Mg、La、In,x=0.15(Mg、La、In分别为0.05、0.05、0.05),z=1.9;
制备步骤(2)中采用的原料为:锐钛矿型氧化钛67.8895kg、氧化镁2.015kg、氧化镧8.1452kg、氧化铟6.9409kg(共计84.9906kg)。
对比例10
一种陶瓷色料,与实施例14的不同之处在于:
采用对比例9获得的复合掺杂型材料;
制备步骤(2)中采用的原料为:对比例9获得的全部的复合掺杂型材料和干燥后的氧化铬1.0766kg。
对比例11
一种氧化锆陶瓷粉体,与实施例15的不同之处在于:
采用对比例10获得的陶瓷色料。
对比例12
一种氧化锆陶瓷,与实施例16的不同之处在于:
采用对比例11获得的氧化锆陶瓷粉体。
性能检测
记录实施例1~4、实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16、对比例1~4、对比例5~8、对比例9~12系列中获得的复合掺杂型材料以及陶瓷的颜色,检测复合掺杂型材料中A在氧化钛中的固溶度,检测陶瓷的力学性能,结果列于表2。
表2性能检测结果
Figure BDA0002879579140000131
由表2可以看出,实施例1~4、实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16系列均获得了黑色的复合掺杂型材料以及均匀、黑亮色的陶瓷(结合附图1),证明了本申请的方案的可行性以及及较佳的可控性。本申请的复合掺杂型材料以及陶瓷显示出黑色的原理在于:具有较大离子半径的A能够进入氧化钛晶格,取代氧化钛中的Ti4+离子,产生晶格缺陷,从而使得复合掺杂型材料显示出黑色,并最终在氧化锆陶瓷中得到很好的展现。
由实施例1~4、实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16系列以及对比例1~4、对比例5~8、对比例9~12系列可以看出,若仅在氧化钛中掺杂A,那么,复合掺杂型材料中A在氧化钛中的固溶度非常低,获得的复合掺杂型材料以及陶瓷的颜色也很淡,而当同时掺杂B后,固溶度出现显著升高,可达35%,并获得了黑色的复合掺杂型材料以及黑亮均匀的陶瓷,这证明了本申请中A、B复合掺杂的重要性。该种复合掺杂提高复合掺杂型材料以及陶瓷黑度的原理在于:B的离子半径相对较小,其进入到氧化钛晶格中能够使氧化钛产生晶格的畸变,从而促进具有较大离子半径的A进入到氧化钛晶格,由此增加了A在氧化钛中的固溶度,进而对复合掺杂型材料、黑色陶瓷色料以及黑色陶瓷的颜色的调配起到巨大的作用。
再者,实施例1~4、实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16系列获得的陶瓷的力学性能仍然保持与市面同类陶瓷相同的水平,说明本申请的黑色陶瓷色料的加入并未对陶瓷的力学性能产生不良影响。
此外,实施例5~8、实施例9~12、实施例13~16系列获得的陶瓷中不含铁离子,在对免信号干扰要求较高的可穿戴设备或智能终端设备中具有重要应用,这进一步证明了本申请的方案的实用性。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释,其并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种黑色陶瓷色料,其特征在于,包含复合掺杂型材料和发色剂,
所述复合掺杂型材料的化学通式为Ti1-x-y(AxBy)Oz,其中,A选自Mg、Ca、Sr、Zn、La、Sm、Bi、In中的至少一种;B选自Ta、Sn、Nb、Fe中的至少一种;0.001<x<0.15,0.001<y<0.2;所述A源选自氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化锌、氧化镧、氧化钐、氧化铋、氧化铟;所述B源选自氧化钽、氧化锡、氧化铌、氧化铁;所述复合掺杂型材料的主体成分为金红石型氧化钛、锐钛矿型氧化钛、板钛矿型氧化钛中的至少一种;
所述复合掺杂型材料的制备包括有以下步骤:将复合掺杂型材料的主体成分、A源、B源混合研磨至0.1~0.5μm,之后,于1200~1550℃烧结1~6h,烧结气氛为空气或还原气氛或真空气氛;
所述发色剂选自含铬氧化物、氧化钨、氧化钼中的至少一种金属氧化物,所述复合掺杂型材料中的Ti与发色剂中金属元素的摩尔比为(20~99):1。
2.根据权利要求1所述的一种黑色陶瓷色料,其特征在于:所述发色剂选择氧化铬。
3.一种黑色氧化锆陶瓷粉体,其特征在于,按重量份数,包括有以下组分:钇稳定氧化锆75~97份、权利要求1或2所述的黑色陶瓷色料3~25份。
4.一种黑色氧化锆陶瓷,其特征在于,由权利要求3所述的黑色氧化锆陶瓷粉体烧结而成。
5.根据权利要求4所述的一种黑色氧化锆陶瓷,其特征在于,所述黑色氧化锆陶瓷的烧结温度为1350~1550℃,烧结时间为1~8h。
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