CN113511884B - 一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，涉及氧化铝/氧化锆复合陶瓷领域，是要解决现有方法制备的柱状晶陶瓷诱发的柱状晶含量少，分布不均匀，晶粒尺寸大导致陶瓷的强度和韧性不足的问题。方法：一、将铝粉和稀释剂进行干燥；二、将铝粉和稀释剂混合，球磨，过筛，得到混合物料；三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2或O2混合气体，下端设有喷嘴，点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应结束后形成高温熔体，保温，开启喷嘴，熔体喷出，经液相冷却，即得到柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末。本发明制备的陶瓷粉末具有纳米柱状晶晶种，且柱状晶晶种含量高，经烧结后具有较高的强度和韧性。本发明方法用于柱状晶陶瓷领域。

Description

一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及氧化铝/氧化锆复合陶瓷领域，尤其涉及一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法。
背景技术
各种氧化物陶瓷材料因具有某些优良的特殊性能(如：耐高温、抗腐蚀、耐磨损等)，在各个领域内得到了广泛的应用。特别是氧化铝、氧化锆陶瓷产量大，性能优异，已经成为应用最广泛的陶瓷材料。通常显微结构为等轴晶的氧化物陶瓷，断裂韧性、断裂强度相对较低，极大地限制了其应用领域。而对于柱状晶氧化物陶瓷，断裂韧性、断裂强度都会有极大的提高，特别是原位自生均匀分布的柱状晶氧化物陶瓷，性能更加优异。
对于大部分陶瓷(除了晶粒本身容易长成柱状晶外)，要想制备柱状晶，主要通过以下几种途径。
一、在陶瓷基体中添加少量柱状晶/晶须微米粉或纳米粉，制备含柱状晶结构陶瓷。但是添加量少，分布不均匀，使得性能差异较大；添加量大，纳米粉不仅存在易团聚、晶粒易长大等问题，而且随着添加量的增大，柱状晶/晶须起到了骨架作用，难以烧结致密，从而大大降低了强韧化效果，如SiC晶须和Si3N4晶须添加量一般不超30vol％。
二、向陶瓷粉体添加诱发剂，烧结过程中可原位诱发制备柱状晶陶瓷。此方法的诱发剂为稀土氧化物，这种原位的方法提高了柱状晶的含量，从而提高陶瓷的性能。文献(Spark plasma sintered high hardness alpha/beta Si3N4 composites with MgSiN2as additives.Scripta Materialia.61,347-350(2009))介绍了引入稀土氧化物助剂诱发Si3N4陶瓷发生α→β相变，生成棒状β-Si3N4，一般这种方法生成的棒状晶含量少(30-60vol％)、分布不均匀且柱状晶尺寸较大(短轴为微米级)；虽然高含量棒状β-Si3N4可以提高Si3N4陶瓷的强度和韧性，但是它的硬度下降较大，两者不可兼得。文献(《国内外原位生长柱状晶增韧氧化铝陶瓷研究的现状》，铸造设备研究，2008，No.1，46-51)介绍了引入添加剂和晶种的种类，通过常压或热压烧结，制备长柱状晶氧化铝陶瓷。诱发剂多指金属、金属盐、氧化物、非氧化物等。诱发的柱状晶长径比多为2-8，尺寸为微米级，陶瓷的强度和韧性远远不足。
综上所述，通过添加柱状晶/晶须微米粉或纳米粉，制备含柱状晶结构陶瓷，因柱状晶/晶须起到了骨架作用，难以烧结致密，所以添加量一般不超过30vol％，不能使强韧化效果最大化。通过添加诱发剂和晶种烧结诱发生柱状晶陶瓷，诱发的柱状晶含量少，分布不均匀，且多为微米级尺寸，其陶瓷的强度和韧性远远不足。
发明内容
本发明是要解决现有方法制备的柱状晶陶瓷诱发的柱状晶含量少，分布不均匀，晶粒尺寸大导致陶瓷的强度和韧性不足的技术问题，提供一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷的制备方法。
本发明柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将铝粉和稀释剂进行干燥；所述稀释剂为氧化锆和氧化铝的混合物，其中氧化铝占稀释剂总质量的0～93％；
步骤二：将干燥后的铝粉和稀释剂混合，球磨，球磨后过筛，得到混合物料；其中混合物料中铝粉的质量分数为12％～40％，稀释剂的质量分数为60％～88％；
步骤三：将混合物料装入高压反应器中，高压反应器中充入O2或O2混合气体，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口直径为1～6mm，点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应温度为3000～4000℃，反应结束后形成高温熔体，保温1～60s，然后开启喷嘴，熔体通过喷嘴喷出，经过液相冷却，即得到柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末；其中高温熔体喷出压力设定为10～30MPa。
本发明的原理：
本发明通过铝粉与氧气之间的超高温燃烧合成得到高温熔体，高温熔体经过液相快速冷却，获得纳米柱状晶晶种(过饱和固溶体)和非晶混合物陶瓷粉末。这种高温熔体快速水冷的方法，得到的纳米柱状晶晶种微米粉，处于高能亚稳态。在后续高温烧结时，粉体存在调幅分解(d2G/dx2＜0)，可分解出高密度的超纳结构。
本发明得到的纳米柱状晶晶种(过饱和固溶体)和非晶混合物陶瓷粉末进行烧结，柱状晶晶种结构诱发柱状晶，柱状晶晶种结构在烧结时可脱溶析出形成纳米增强相(20-80纳米)，从而获得高密度且均匀分布的柱状晶晶内/晶间复合纳米结构，从而获得高强高韧的柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷。同时纳米柱状晶晶种的长短可以通过烧结工艺参数进行调节，烧结时在某种程度上抑制柱状晶的短轴的生长，促进长轴的生长，进一步调控柱状晶的长径比及晶粒尺寸。这种柱状晶陶瓷的短轴晶粒尺寸为亚微米级或纳米级，以往可用于工业化生产的柱状晶陶瓷的晶粒尺寸基本为微米级，这种亚微米级柱状晶结构对提高陶瓷的强度和韧性具有重要的意义。
本发明的有益效果：
1、本发明方法获得的氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末中具有纳米柱状晶晶种，且柱状晶晶种含量高，分布均匀。
2、本发明方法制备的氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末通过高温烧结致密化，柱状晶晶种演化为柱状晶结构，尺寸为亚微米级，而且纳米柱状晶晶种的长短可以通过烧结工艺参数进行调节，柱长径比高达5-15。
3、本发明得到的氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末，通过高温烧结工艺致密化。在高温烧结过程中，含柱状晶晶种氧化铝/氧化锆复合粉末中的柱状晶晶种结构因高温发生脱溶析出，内部原位自生纳米增强相，从而获得高密度且均匀分布的柱状晶内/晶间复合纳米结构。此外，柱状晶晶种氧化铝/氧化锆复合粉末经过热处理或烧结，会发生调幅分解形成超纳米结构(晶粒尺寸＜10nm)，超纳结构均匀分布在晶粒内和晶界，陶瓷发生沿晶断裂和穿晶断裂，这种超纳米结构会极大的增加了裂纹扩展的路径，从而提高了陶瓷的力学性能，这种超纳米结构是以往高性能陶瓷难以实现的。
4、采用本方法热压烧结可以得到柱状晶氧化铝/氧化锆复合纳米复合陶瓷，由于具有高含量的柱状晶，亚微米级或纳米级的柱状晶短轴尺寸，大大增加了陶瓷的强度和韧性。当氧化锆含量为5wt％-80wt％，弯曲强度为600～1500MPa，断裂韧性为8～18MPa·m1/2。
5、本发明方法可制备得到大量过饱和纳米柱状晶晶种的粉末，成本低，效益高，可工业化批量生产的柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷。
附图说明
图1为实施例1制备的纳米柱状晶晶种的Al2O3/ZrO2固溶体陶瓷粉体微观结构；
图2为实施例1制备的纳米柱状晶晶种的Al2O3/ZrO2固溶体陶瓷粉体元素分析；
图3为实施例1制备的柱状晶Al2O3/ZrO2陶瓷微观结构；
图4为实施例1制备的柱状晶Al2O3/ZrO2陶瓷的断裂方式；
图5为实施例2制备的含超纳米结构的柱状晶Al2O3/ZrO2陶瓷微观结构。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将铝粉和稀释剂进行干燥；所述稀释剂为氧化锆和氧化铝的混合物，其中氧化铝占稀释剂总质量的0～93％；
步骤二：将干燥后的铝粉和稀释剂混合，球磨，球磨后过筛，得到混合物料；其中混合物料中铝粉的质量分数为12％～40％，稀释剂的质量分数为60％～88％；
步骤三：将混合物料装入高压反应器中，高压反应器中充入O2或O2混合气体，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口直径为1～6mm，点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应温度为3000～4000℃，反应结束后形成高温熔体，保温1～60s，然后开启喷嘴，熔体通过喷嘴喷出，经过液相冷却，即得到柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末；其中高温熔体喷出压力设定为10～30MPa。
混合物料未反应前，高压反应容器内充入过量的气体；反应完成后，未参加反应的气体在高温下具有10-30MPa的压力。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中还加入干燥的诱发剂进行球磨，得到铝粉、稀释剂和诱发剂组成的混合物料；其中诱发剂的添加量在混合物料中的占比小于6wt％。其它与具体实施方式一相同。
本发明除了在氧化铝/氧化锆复合熔体快速冷却凝固的过程中诱发纳米柱状晶种(过饱和固溶体)之外，同样也可以通过添加诱发剂诱发柱状晶晶种，这样就能实现快冷诱发柱状晶晶种和添加剂诱发柱状晶晶种的“双重诱发”，因此可以大幅度降低诱发剂的添加量。这与现有的工艺方法是完全不同的。
诱发剂含量过高将恶化陶瓷的某些性能(如弯曲强度、硬度等)。本实施方式方法大大降低了诱发剂的含量，从而使得陶瓷高性能得以保持。
诱发剂的加入可以扩大工艺条件，使得工艺更为容易。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述诱发剂为MgO、TiO2、SiO2、Cr2O3、Y2O3、CoO、La2O3、CeO2、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Yb2O3、Lu2O3、SrO、NiO中的一种或几种组成的混合物。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中还加入干燥的相变稳定剂进行球磨，得到的混合物料中包含相变稳定剂；所述相变稳定剂为氧化钇、氧化铈、氧化镁、氧化钙、氧化钛或氧化钪。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式加入相变稳定剂的作用是使四方相氧化锆稳定到室温。
当加相变稳定剂稳定氧化锆相时，不同的相变稳定剂与氧化锆的比例不同，其中氧化钇与氧化锆的摩尔比为x:100，0<x≤20；氧化铈与氧化锆的摩尔比为y:100，0<y≤30；氧化镁与氧化锆的摩尔比为z:100，0<z≤28；氧化钙与氧化锆的摩尔比为m:100，0<m≤33.45；氧化钛与氧化锆的摩尔比为n:100，0<n≤44.41；氧化钪与氧化锆的摩尔比为p:100，0<p≤20。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中干燥温度为60～120℃，干燥时间为8～16h。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述铝粉在真空、惰性气体或还原性气体中进行干燥。其它与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式真空干燥的真空度为0.05～0.09MPa。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述球磨的球料质量比为3:1，球磨时间为2～8h。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述球磨后过40～200目筛。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三所述O2混合气体为氧气和惰性气体的混合气体。其它与具体实施方式一至八之一相同。
本实施方式所述惰性气体为氩气(Ar)，其成本最低。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三所述液相为水或盐溶液。其它与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式所述盐溶液为氯化钠溶液，其成本最低。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：将得到的柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末进行烧结，得到具有纳米结构的亚微米柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷。其它与具体实施方式一至十之一相同。
本发明高温熔体快速水冷的方法，得到的纳米柱状晶晶种微米粉，处于高能亚稳态。在后续高温烧结时，粉体存在调幅分解(d2G/dx2＜0)，可分解出高密度的超纳结构。
在高温烧结过程中，含柱状晶晶种氧化铝/氧化锆复合粉末中的柱状晶晶种结构因高温发生脱溶析出，内部原位自生纳米增强相，从而获得高密度且均匀分布的柱状晶晶内/晶间复合纳米结构。此外，柱状晶晶种氧化铝/氧化锆复合粉末经过热处理或烧结，会发生调幅分解形成超纳米结构(晶粒尺寸＜10nm)，超纳结构均匀分布在晶粒内和晶界，陶瓷发生沿晶断裂和穿晶断裂，这种超纳米结构会极大的增加了裂纹扩展的路径，从而提高了陶瓷的力学性能，这种超纳米结构是以往高性能陶瓷难以实现的。
本实施方式经过烧结后，产物Al2O3/ZrO2柱状晶陶瓷中氧化锆的含量为5-80wt％，产物含超纳米结构的Al2O3/ZrO2柱状晶陶瓷中氧化锆的含量为10-50wt％。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：所述烧结工艺为热压烧结(HP)、热等静压烧结(HIP)、放电等离子烧结(SPS)、闪烧烧结(FS)或无压烧结。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：所述烧结的工艺条件为：升温速率5～200℃/min，烧结温度1200～1600℃，保温时间5min～3h。其它与具体实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：所述烧结的工艺条件为：先于800～1300℃进行中低温烧结，再于1300～1600℃进行高温烧结，升温速率为5～200℃/min，保温时间为5min～3h。其它与具体实施方式十一或十二相同。
纳米柱状晶晶种微米粉可以采用中低温初步烧结，发生亚稳调幅分解形成超纳米结构，再经过高温快速烧结实现致密化。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末高能球磨至100-500nm，然后进行无压烧结。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式对制备得到的柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末球磨为亚微米粉末，能够降低烧结温度，抑制晶粒的长大。另外，这种方法能够打碎柱状晶晶种，重新诱发柱状晶。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例柱状晶Al2O3/30wt％ZrO2(3mol％Y2O3)纳米陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为10h；氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为10h；
二、将干燥后的182g铝粉、456g氧化铝粉、343g氧化锆粉和18.92g氧化钇粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过60目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为20MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ3mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为3500℃，反应结束后形成高温熔体，然后保温15s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为19MPa，喷入水冷装置中，进行液相冷却，即得到纳米柱状晶晶种固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末通过热压烧结得到柱状晶Al2O3/30wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷，热压烧结条件为：烧结温度1500℃，40MPa，保温1h，升温速率15℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性15.25MPa·m1/2，弯曲强度为1280MPa。柱状晶比率大于80vol％，平均长径比为9。
对实施例1所得到的Al2O3/30wt％ZrO2(3mol％Y2O3)体系固溶体和非晶混合物粉末进行了STEM-HAADF分析，如图1和2所示，图1是实施例1得到的固溶体粉末的横截面STEM-HAADF图，图2是实施例1得到的固溶体粉末的横截面STEM-EDX分析。从图1、2中可以看出固溶体粉末由纳米柱状晶晶种结构组成，并且柱状晶晶种仍是Al2O3和ZrO2的固溶体。图3、4分别是Al2O3/30wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷平面和维氏压痕裂纹扩展途径的BSE图片，亚微米氧化铝柱状晶内部含有高密度的氧化锆增强颗粒，断裂方式主要为穿晶断裂，充分发挥了亚微米柱晶增韧和晶内纳米颗粒增韧，因此大大的提高了陶瓷的强度和韧性。
实施例2：
本实施例含超纳结构的柱状晶Al2O3/42wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；
二、将干燥后的200g铝粉、314g氧化铝粉、461g氧化锆粉和25g氧化钇粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为20MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ4mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为4000℃，反应结束后形成高温熔体，然后保温12s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为24MPa，喷入水冷装置中，进行液相冷却，即得到纳米柱状晶固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末进行SPS烧结，得到含超纳米结构的柱状晶Al2O3/42wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷，SPS烧结条件为：烧结温度1000℃，20MPa，保温5min；烧结温度1400℃，40MPa，保温10min，升温速率100℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性16.15MPa·m1/2，弯曲强度为1320MPa。柱状晶比率大于80vol％，平均长径比为11。
对实施例2所得到的Al2O3/42wt％ZrO2(3mol％Y2O3)的陶瓷，进行了STEM-HAADF分析，如图5所示。柱状晶内部含有高密度的纳米颗粒，有两种形式的颗粒存在，一种晶粒尺寸为几十到几百纳米的颗粒，另一种为晶粒尺寸小于10纳米(超纳米结构)且均匀分布的颗粒。这种存在纳米颗粒、超纳米颗粒和柱状晶结构会大大的增加陶瓷的强度和韧性。
实施例3：
本实施例柱状晶Al2O3/42wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；
二、将干燥后的600g铝粉、9342g氧化铝粉、1383g氧化锆粉和75g氧化钇粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为22MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ3mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为4000℃，反应结束后形成高温熔体，然后保温15s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为22MPa，喷入水冷装置中，进行液相冷却，即得到纳米柱状晶固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末高能球磨，得到300纳米的亚微米粉体，亚微米粉体经过压制坯体，无压烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间为2h，得到柱状晶Al2O3/42wt％ZrO2(3mol％Y2O3)陶瓷。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性10.89MPa·m1/2，弯曲强度为980MPa。柱状晶比率大于80vol％。
实施例4：
本实施例柱状晶Al2O3/20wt％ZrO2/0.5wt％TiO2陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉、氧化锆粉和氧化钛粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；氧化锆粉、氧化铝粉末和氧化钛粉末直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；
二、将干燥后的450g铝粉、1470g氧化铝粉、580g氧化锆粉和7.35g氧化钛粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为22MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ2mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为3300℃，反应完成后形成高温熔体，然后保温10s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为15MPa，喷入水冷装置中，进行熔体冷却，即得到纳米柱状晶晶种固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末进行热压烧结，得到柱状晶Al2O3/20wt％ZrO2/0.5wt％TiO2陶瓷，烧结的工艺条件为：烧结温度1500℃，40MPa，保温1h，升温速率15℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性11.21MPa·m1/2，弯曲强度为950MPa。柱状晶比率大于80vol％。
实施例5：
本实施例柱状晶Al2O3/70wt％ZrO2/(2.5mol％Y2O3)陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化锆粉和氧化钇粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；氧化锆粉末和氧化钇粉末直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；
二、将干燥后的180g铝粉、786g氧化锆粉和36.11g氧化钇粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为18MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ3mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为4000℃，反应完成后形成高温熔体，然后保温15s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为20MPa，喷入水冷装置中，进行熔体冷却，即得到纳米柱状晶晶种固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末热压烧结，得到柱状晶Al2O3/70wt％ZrO2/(2.5mol％Y2O3)陶瓷，烧结工艺条件为：烧结温度1450℃，40MPa，保温1h，升温速率15℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性13.22MPa·m1/2，弯曲强度为1130MPa。柱状晶比率大于80vol％。
实施例6：
本实施例柱状晶Al2O3/35wt％ZrO2(2mol％Y2O3)/0.5wt％TiO2陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉、氧化锆粉、氧化钛粉和氧化钇粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；氧化铝粉末、氧化锆粉末、氧化钛粉末和氧化钇粉末直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；
二、将干燥后的185g铝粉、398g氧化铝粉、403g氧化锆粉、14.77g氧化钇粉和3.74g氧化钛粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为18.5MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ3mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为3700℃，反应完成后形成高温熔体，然后保温12s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为16MPa，喷入水冷装置中，进行熔体冷却，即得到纳米柱状晶晶种固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末进行热压烧结，得到柱状晶Al2O3/35wt％ZrO2(2mol％Y2O3)/0.5wt％TiO2陶瓷，烧结温度1450℃，40MPa，保温1h，升温速率15℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性14.02MPa·m1/2，弯曲强度为1180MPa。柱状晶比率大于80vol％。
实施例7：
本实施例柱状晶Al2O3/25wt％ZrO2陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将铝粉、氧化铝粉和氧化锆粉进行干燥，铝粉在真空度为0.06MPa下真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为10h；氧化铝粉末和氧化锆粉末直接进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为10h；
二、将干燥后的190g铝粉、518g氧化铝粉和292g氧化锆粉混合，采用行星球磨机进行球磨，球料质量比为3:1，球磨时间4h，球磨后过40目筛，得到混合物料；
三、将混合物料装入高压反应器中，充入O2，氧气压力设定为19MPa，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口尺寸为Φ3mm，将高压反应器置于水冷装置上方，电阻丝点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应理论温度为3400℃，反应完成后形成高温熔体，然后保温8s，然后开启喷嘴，在高温高压下高温熔体通过喷嘴喷出，熔体喷出压力为15MPa，喷入水冷装置中，进行熔体冷却，即得到纳米柱状晶晶种固溶体和非晶混合物粉末。所述水冷装置为盛有冷却液相的雾化塔，所述冷却液相为水。
四、将步骤三得到的粉末进行热压烧结，得到柱状晶Al2O3/25wt％ZrO2陶瓷，烧结温度1450℃，40MPa，保温1h，升温速率15℃/min。
将制备的陶瓷进行三点弯曲试验测试，其性能为：断裂韧性10.62MPa·m1/2，弯曲强度为970MPa。柱状晶比率大于80vol％。

Claims (8)

1.一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：将铝粉和稀释剂进行干燥；所述稀释剂为氧化锆和氧化铝的混合物，其中氧化铝占稀释剂总质量的0~93%；
步骤二：将干燥后的铝粉、稀释剂和干燥的诱发剂混合，球磨，球磨后过筛，得到混合物料；其中混合物料中铝粉的质量分数为12%~40%，稀释剂的质量分数为60%~88%，诱发剂的添加量在混合物料中的占比小于6 wt%；
步骤三：将混合物料装入高压反应器中，高压反应器中充入O2或O2混合气体，高压反应器下端设有喷嘴，喷嘴的喷口直径为1~6 mm，点燃混合物料，进行高温燃烧合成反应，反应温度为3000~4000 ℃，反应结束后形成高温熔体，保温1~60 s，然后开启喷嘴，熔体通过喷嘴喷出，经过液相冷却，即得到柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末；其中高温熔体喷出压力设定为10~30 MPa；
步骤二中所述诱发剂为MgO、TiO2、SiO2、Cr2O3、Y2O3、CoO、La2O3、CeO2、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Yb2O3、Lu2O3、SrO、NiO中的一种或几种组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于步骤二中还加入干燥的相变稳定剂进行球磨，得到的混合物料中包含相变稳定剂；所述相变稳定剂为氧化钇、氧化铈、氧化镁、氧化钙、氧化钛或氧化钪。
3.根据权利要求2所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于步骤一中所述铝粉在真空、惰性气体或还原性气体中进行干燥。
4.根据权利要求3所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于步骤三所述O2混合气体为氧气和惰性气体的混合气体。
5.根据权利要求1所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于步骤三所述液相为水或盐溶液。
6.根据权利要求1所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于将得到的柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末进行烧结，得到具有纳米结构的亚微米柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷。
7.根据权利要求6所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于所述烧结的工艺条件为：升温速率5~200 ℃/min，烧结温度1200~1600 ℃，保温时间5min~3 h。
8.根据权利要求6所述的一种柱状晶氧化铝/氧化锆复合陶瓷粉末的制备方法，其特征在于所述烧结的工艺条件为：先于800~1300 ℃进行低温烧结，再于1300~1600 ℃进行高温烧结，升温速率为5~200 ℃/min，保温时间为5 min~3 h。
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