CN113683416B - 一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解，得到氧化镁粉末；将草酸钽进行煅烧分解，得到氧化钽粉末；分别称量氧化镁粉末和氧化钽粉末；将氧化镁粉末和氧化钽粉末进行球磨混料，干燥后得到混合粉末；将混合粉末进行等静压成形处理，得到块状坯体；将块状坯体进行保温烧结，得到两相钽酸镁陶瓷块体；本发明通过热分解获得具有高度活性的氧化镁和氧化钽粉末，可以有效降低烧结温度，使得在低温下Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆即可同时形核长大，不同晶粒之间相互竞争起到抑制晶粒长大的作用，可以降低烧结温度可以防止过烧现象的发生。

Description

一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法。

背景技术

稀土钽酸盐(RETaO₄、RE₃TaO₇和RETa₃O₉)陶瓷作为新型的超高温隔热耐磨防护陶瓷材料目前已经被大量研究，其应用范围包括热障涂层、环境障涂层、耐酸碱涂层和耐冲击烧蚀涂层等各个方面。稀土钽酸盐作为热障涂层应有具有热导率低、热膨胀系数与基体匹配、力学性能优异和抗高温水蒸气侵蚀等优点，但是其中含有的稀土元素在高温下会与空气中的钙、镁、铝和硅等的氧化物反应而被腐蚀。

为了进一步优化钽酸盐的热物理性能并延长使用寿命，研究发展稀土元素主要与氧化镁和氧化钙反应而被渗透导致失效，而钽元素与钙、镁、铝和硅等的氧化物具有良好的反应惰性，因此减少钽酸盐中的稀土元素含量成为提高其耐腐蚀性能的一个突破口。

Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆陶瓷均具有优异的高温相稳定性和抗腐蚀性能，但是力学性质较差，如断裂韧性较差(小于2MPa.m^1/2)和较高的热导率(2.5～5W.m^-1.K^-1)，进而力学性质成为了其进一步应用主要缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，以提升钽酸镁块体的力学性质。

本发明采用以下技术方案：一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，包括以下步骤：

将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解，得到氧化镁粉末；

将草酸钽进行煅烧分解，得到氧化钽粉末；

根据待制备两相钽酸镁陶瓷块体中Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比，分别称量氧化镁粉末和氧化钽粉末；

将氧化镁粉末和氧化钽粉末进行球磨混料，干燥后得到混合粉末；

将混合粉末进行等静压成形处理，得到块状坯体；

将块状坯体进行保温烧结，得到两相钽酸镁陶瓷块体；保温烧结温度为880～1050℃，保温时间为2～3.5h。

进一步地，等静压处理中压片压力为250～320MPa，时间为5～10min。

进一步地，球磨混料中球磨转速为2200～3000rpm，球磨时间为10～20h。

进一步地，将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解时，煅烧温度为585℃，保温时间为1h。

进一步地，将草酸钽进行煅烧分解时，煅烧温度为850℃，保温1h。

进一步地，两相钽酸镁陶瓷块体由Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆构成，且Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比为X：(1-X)，0＜X＜1。

进一步地，两相钽酸镁陶瓷块体的断裂韧性＞2MPa.m^1/2，热导率为1～3W.m^-1.K^-1。

本发明的有益效果是：本发明通过热分解获得具有高度活性的氧化镁和氧化钽粉末，可以有效降低烧结温度，使得在低温下Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆即可同时形核长大，不同晶粒之间相互竞争起到抑制晶粒长大的作用，可以降低烧结温度可以防止过烧现象的发生。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的两相钽酸镁陶瓷块体的实物图；

图2为本发明实施例1制得的两相钽酸镁陶瓷块体的XRD衍射图；

图3为本发明实施例1制得的两相钽酸镁陶瓷块体的扫描电镜结果图；

图4为本发明实施例1制得的两相钽酸镁陶瓷块体的热导率随温度变化图；

图5为本发明不同的实施例制得的两相钽酸镁陶瓷块体的断裂韧性随摩尔比的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

为了解决钽酸镁陶瓷的断裂韧性差、热导率高、服役寿命短的问题，本发明制备了两相钽酸镁陶瓷，使其具有优异的综合力学性质，合适的杨氏模量(～200GPa)、优异的断裂韧性(>2MPa.m^1/2)和较高的硬度(～10GPa)，同时降低了热导率，两相钽酸镁陶瓷保持了突出的抗腐蚀性能的特点，使其可作为高温隔热耐磨防护涂层材料应用。

当前，直接用氧化镁和氧化钽粉末为原料，通过固相高温烧结制备的单相钽酸镁(Mg₄Ta₂O₉或MgTa₂O₆)陶瓷，断裂韧性差和热导率高的问题，本发明最终产物具有高纯度、高致密度、力学性能优异和低热导率的特点。产物中Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆摩尔比为X:(1-X)，其中，1>X>0，没有其他杂质的产生，两种Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的总含量大于99.5％。

具体的，本发明公开了一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，包括以下步骤：

将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解，煅烧温度为585℃，保温时间为1h，得到氧化镁粉末；将草酸钽进行煅烧分解，煅烧温度为850℃，保温1h，得到氧化钽粉末。

本发明中通过热分解获得具有高度烧结、反应活性的氧化镁和氧化钽，有效降低烧结温度的同时，使得在低温下可以同时生成Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆陶瓷，避免烧结温度过高导致晶粒过烧和过分长大的问题。进而，在较低温度下Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆就可以形核长大，起到抑制晶粒过度长大的作用，从而使得最终产物具有均匀细小的晶粒和极高的致密度。同时使用具有高度活性的氧化镁和氧化钽粉末，可以避免使用普通氧化镁和氧化钽粉末时通过烧结后仅仅获得一种钽酸镁陶瓷和氧化物原料的混合物，从而无法起到降低烧结温度、调控材料的力学性质和保持材料特殊热物理性能的目的。通过控制原料的比例、烧结温度和保温时间对两种材料的含量进行控制，而不会单独生成其中一种钽酸镁产物和原料的混合物。

当直接使用普通氧化镁和氧化钽粉末作为原料通过固相法烧结制备钽酸镁陶瓷时，烧结后得到的是单相钽酸镁与原料粉末的混合物，无法得到Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆为产物的两相陶瓷，从而无法对材料的性质及形貌进行有效调控。

根据待制备两相钽酸镁陶瓷块体中Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比，分别称量氧化镁粉末和氧化钽粉末；将氧化镁粉末和氧化钽粉末进行球磨混料，球磨转速为2200～3000rpm，球磨时间为10～20h，干燥后得到混合粉末；将混合粉末进行等静压成形处理，压片压力为250～320MPa，时间为5～10min，得到块状坯体；将块状坯体进行保温烧结，得到两相钽酸镁陶瓷块体；保温烧结温度为880～1050℃，保温时间为2～3.5h。

对最终产物中的Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆摩尔比进行控制，通过研磨的方法进行混料既可以获得均匀混合的粉末，又可以细化粉末从而进一步降低最终烧结温度避免过烧和晶粒过度长大的现象。

对粉末进行压制成形，没有采用放电等离子烧结和热压烧结制备致密块体材料，以及没有添加任何烧结助剂，是为了防止烧结过程中模具的污染物进入试样内，降低试样纯度；采用纳米级的高活性度粉体原料保证了冷等静压后获得的坯体通过较低温度的无压烧结即可获得致密的陶瓷块体。

两相钽酸镁陶瓷块体由Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆构成，且Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比为X：(1-X)，0＜X＜1。两相钽酸镁陶瓷块体的断裂韧性＞2MPa.m^1/2，热导率为1～3W.m^-1.K^-1。

本发明中，未在钽酸镁中加入其它的陶瓷材料，这是因为，如果在钽酸镁中加入其它的陶瓷材料，如稀土钽酸盐、稀土磷酸盐、稀土锆酸盐和氧化钇稳定氧化锆，这些材料均会在高温下与钽酸镁反应从而破坏其性能特点，限制材料的应用。

本发明中，利用软硬程度不同的Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆提高最终产物的断裂韧性并降低热导率。得到的两相钽酸镁陶瓷块体致密度大于98.5％，晶粒尺寸在小于10微米，纯度大于99％，可以对最终产物的硬度、断裂韧性和热导率进行有效调控的同时保持了钽酸镁陶瓷本身的耐腐蚀的特点。利用两相材料的相互作用使其具有合适的杨氏模量(～200GPa)、高断裂韧性(>2MPa.m^1/2)和低热导率(1～3W.m^-1.K^-1)等特性，适合作为高温隔热耐磨陶瓷使用。

实施例1：

本实施例中，以(Mg₄Ta₂O₉)_0.5(MgTa₂O₆)_0.5陶瓷块体烧结的过程进行介绍说明。将碱式碳酸镁、草酸钽和草酸钽置于氧化铝坩埚后，在中温炉中进行煅烧分解，碱式碳酸镁的煅烧温度为585℃，保温时间为1小时。草酸钽的煅烧温度为850℃，保温时间为1小时。

根据(Mg₄Ta₂O₉)_0.5(MgTa₂O₆)_0.5摩尔比称量氧化镁和氧化钽粉末原料，加入无水乙醇将其置于研磨机中，进行球磨混料的同时细化粉末粒径，转速3000转每分钟，研磨混料时间为10小时，在95℃保温8小时干燥后得到粉末A。

称取2.6g的粉末A置于冷等静压机中进行压制成型，压力为320MPa，保压时间5分钟，随后在950℃保温2小时烧结，最终得到致密的两相(Mg₄Ta₂O₉)_0.5(MgTa₂O₆)_0.5钽酸镁陶瓷材料。

如图1所示，为该实施例制备产物的实物图，该实施例制备得到的两相钽酸镁陶瓷块体致密度为99.5％，纯度大于99％，平均晶粒尺寸小于10微米。如图2所示为产物的XRD衍射图，图中黑色标记的衍射峰属于Mg₄Ta₂O₉，其余的衍射峰属于MgTa₂O₆，该图表明无第三种物质的衍射峰。

经过测试，陶瓷材料的模量为200GPa，断裂韧性为2.3MPa.m^1/2，如图3所示，制备得到的块体陶瓷材料晶粒尺寸为微米级别，平均晶粒尺寸在约为6微米，同时晶粒之间结合良好，裂纹和气孔等缺陷极少，保证了材料具有极高的致密度和优异的力学性质。如图4所示，在25～1000℃的温度范围内致密材料的热导率为1.2-2.9W.m^-1.K^-1。

另外，以实施例1为基础，其他条件不变，仅改变钽酸镁块体中两种化合物的摩尔比、研磨转速和时间、压片压力和时间、以及烧结温度和时间，进行了多组试验，具体试验参数如表1所示。

表1

X	研磨转速/时间	压片压力/时间	烧结温度/时间
				0.2	2500rpm/10h	320MPa/7min	1050℃/3.5h
0.4	3000rpm/12h	300MPa/9min	880℃/2h
				0.5	3000rpm/24h	320MPa/5min	950℃/2h
0.6	2600rpm/20h	250MPa/8min	960℃/2.5h
				0.8	2200rpm/20h	280MPa/10min	1000℃/3h

根据试验结果表明，最重要的影响因素为最终烧结条件。通过对各试验的产物进行断裂韧性的测量，不同摩尔比的钽酸镁块体具有的断裂韧性如图5所示，两相材料的断裂韧性随着X值的增大先增大后减小，这是由于第二相的引入起到了晶粒细化增大晶界密度的作用，可以有效偏转裂纹提高断裂韧性。

Claims (5)

1.一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解，得到氧化镁粉末；

将草酸钽进行煅烧分解，得到氧化钽粉末；

根据待制备两相钽酸镁陶瓷块体中Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比，分别称量所述氧化镁粉末和氧化钽粉末；

将所述氧化镁粉末和氧化钽粉末进行球磨混料，干燥后得到混合粉末；

将所述混合粉末进行等静压成形处理，得到块状坯体；

将所述块状坯体进行保温烧结，得到两相钽酸镁陶瓷块体；所述保温烧结温度为880～1050℃，保温时间为2～3.5h；

所述两相钽酸镁陶瓷块体由Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆构成，且Mg₄Ta₂O₉和MgTa₂O₆的摩尔比为X：(1-X)，0＜X＜1；

所述两相钽酸镁陶瓷块体的断裂韧性＞2MPa.m^1/2，热导率为1～3W.m^-1.K^-1。

2.如权利要求1所述的一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，其特征在于，所述等静压处理中压片压力为250～320MPa，时间为5～10min。

3.如权利要求2述的一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，其特征在于，球磨混料中球磨转速为2200～3000rpm，球磨时间为10～20h。

4.如权利要求1-3任一所述的一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，其特征在于，将Mg(OH)₂、碱式碳酸镁和草酸镁中的至少一种进行煅烧分解时，煅烧温度为585℃，保温时间为1h。

5.如权利要求4所述的一种两相钽酸镁陶瓷块体的制备方法，其特征在于，将草酸钽进行煅烧分解时，煅烧温度为850℃，保温1h。

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