CN115849884B - 一种高强度氧化铝陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷材料领域，具体为一种高强度氧化铝陶瓷材料及其制备方法，由以下重量份数的原料制备而成：纳米α‑Al₂O₃ 80‑100份、纳米ZrO₂ 20‑30份、硅粉10‑20份、SiC纤维5‑10份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5‑10份、有机单体10‑20份、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺1‑2份、分散剂3‑5份、增塑剂10‑20份、水80‑120份，本发明所制备氧化铝陶瓷材料致密度高，力学性能优良，其中抗弯强度≥723MPa，断裂韧性≥6.62MPa·m^1/2，作为载荷零部件使用，具有极佳的工作可靠性和使用安全性。

Description

一种高强度氧化铝陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料领域，具体为一种高强度氧化铝陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷作为一种广泛应用的先进陶瓷材料，不仅具有优异的力学性能和电学性能，还具有原料来源广泛、成本低廉等其它陶瓷材料难以比拟的优点。然而，氧化铝陶瓷也有着陶瓷材料共同的弱点-韧性低，其断裂韧性通常只有3-4MPa·m²左右，极大地影响了氧化铝陶瓷用作载荷零部件的工作可靠性和使用安全性。陶瓷材料脆性低的根源在于裂纹的存在容易引起应力的高度集中，所以提高氧化铝陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力和断裂能，减缓裂纹尖端的应力集中效应，是氧化铝陶瓷材料增韧补强方法成功的关键。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种高强度氧化铝陶瓷材料及其制备方法。

所采用的技术方案如下：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 80-100份、纳米ZrO₂ 20-30份、硅粉10-20份、SiC纤维5-10份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5-10份、有机单体10-20份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1-2份、分散剂3-5份、增塑剂10-20份、水80-120份。

进一步地，所述LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种的制备方法如下：

将氢氧化铝、氯化钾、氯化钠混合球磨，所得混合粉末置于坩锅中，1100-1200℃煅烧2-3h，冷却后经水和乙醇洗涤并干燥得到片状Al₂O₃晶种，将硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝加入水中，搅拌均匀后加入柠檬酸，升温至85-95℃加入片状Al₂O₃晶种，继续搅拌3-5h后抽滤，所得固体先于180-200℃干燥8-10h得到前驱体，然后于850-950℃煅烧6-10h，最后于1500-1550℃煅烧4-6h即可。

进一步地，所述柠檬酸、硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝的物质的量比为19.5-26：1：1：11。

进一步地，所述有机单体为丙烯酰胺改性壳聚糖。

进一步地，所述丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法如下：

将壳聚糖加入醋酸中配置成溶液，搅拌升温至45-50℃，保护性气体氛围下，加入硝酸铈，反应30-50min后，加入丙烯酰胺，继续反应5-10h，反应液恢复室温后加入乙醇，用NaOH溶液调节体系pH至弱碱性，析出产物，过滤后用乙醇洗涤，真空干燥至恒重即可。

进一步地，所述壳聚糖、丙烯酰胺的质量比为3-5：1。

进一步地，所述分散剂包括聚硅氧烷乳液和聚丙烯酸铵；

所述聚硅氧烷乳液和聚丙烯酸铵的质量比为1-2：1。

进一步地，所述增塑剂为聚乙二醇、乙二醇、丙三醇、石蜡、水性聚氨酯中的任意一种或多种组合。

本发明还提供了一种高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法：

将有机单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、分散剂、增塑剂，混合均匀后所得浆料球磨5-10h，再于60-80℃真空除泡20-40min后压注成型，充型压力为8-10MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中一段升温至500-600℃排胶1-2h，再二段升温至1560-1620℃烧结2-3h，随炉冷却至室温即可。

进一步地，一段升温速度为5-10℃/min，二段升温速度为1-3℃/min。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种高强度氧化铝陶瓷材料，利用丙烯酰胺改性壳聚糖进行凝胶注模，由于成型得到的凝胶网络结构对颗粒起到很好的稳定与吸附作用，而且悬浮浆料良好的流动性使得氧化铝陶瓷结构均匀，致密度高，可满足一般的机械加工，硅粉可以促进氧化铝陶瓷的烧结，并通过填充部分贯通气孔来提高制品的力学强度，纳米ZrO₂可以显著提高氧化铝陶瓷的力学性能，这主要是通过ZrO₂对氧化铝晶粒生长的抑制作用及ZrO₂的微裂纹增韧和相变增韧来实现的，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种可以形成增韧粒子，片状结构对裂纹扩展起很大的阻碍作用，增加了裂纹的扩展路径，提高了力学性能，LaMgAl₁₁O₁₉包覆于片状Al₂O₃晶种表面，LaMgAl₁₁O₁₉与片状Al₂O₃晶种配合，在高温烧结时可有效抑制晶粒畸形长大，使氧化铝陶瓷内部结构更为致密，本发明所制备氧化铝陶瓷材料致密度高，力学性能优良，其中抗弯强度≥723MPa，断裂韧性≥6.62MPa·m^1/2，作为载荷零部件使用，具有极佳的工作可靠性和使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例1中氧化铝陶瓷材料的表面SEM图。

具体实施方式

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本发明未提及的技术均参照现有技术。

实施例1：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 90份、纳米ZrO₂ 25份、硅粉18份、SiC纤维8份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5份、丙烯酰胺改性壳聚糖15份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1.5份、聚硅氧烷乳液2份、聚丙烯酸铵1份、丙三醇15份、水110份；

其中，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种的制备方法如下：

将50g氢氧化铝、60g氯化钾、60g氯化钠混合球磨4h，所得混合粉末置于坩锅中，1200℃煅烧2.5h，冷却后经水和乙醇洗涤并干燥得到片状Al₂O₃晶种，将32.5g硝酸镧、14.8g硝酸镁、233.2g硝酸铝加入1500mL水中，搅拌均匀后加入374.4g柠檬酸，升温至90℃加入10g片状Al₂O₃晶种，继续搅拌5h后抽滤，所得固体先于200℃干燥8h得到前驱体，然后于950℃煅烧8h，最后于1550℃煅烧5h即可。

丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法如下：

将40g壳聚糖加入质量分数为1％的醋酸中配置成溶液，搅拌升温至50℃，保护性气体氛围下，加入6g硝酸铈，反应50min后，加入10g丙烯酰胺，继续反应8h，反应液恢复室温后加入乙醇，用NaOH溶液调节体系pH至弱碱性，析出产物，过滤后用乙醇洗涤，50℃真空干燥至恒重即可。

上述高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法如下：

将丙烯酰胺改性壳聚糖、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、聚硅氧烷乳液、聚丙烯酸铵、丙三醇，混合均匀后所得浆料球磨10h，再于70℃真空除泡30min后压注成型，充型压力为10MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中以8℃/min的速度一段升温至500℃排胶2h，再以2℃/min的速度二段升温至1580℃烧结2h，随炉冷却至室温即可。

实施例2：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 100份、纳米ZrO₂ 30份、硅粉20份、SiC纤维10份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种10份、丙烯酰胺改性壳聚糖20份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺2份、聚硅氧烷乳液2份、聚丙烯酸铵1份、丙三醇20份、水120份；

其中，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种和丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法同实施例1；

上述高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法如下：

将丙烯酰胺改性壳聚糖、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、聚硅氧烷乳液、聚丙烯酸铵、丙三醇，混合均匀后所得浆料球磨10h，再于80℃真空除泡40min后压注成型，充型压力为10MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中以10℃/min的速度一段升温至600℃排胶2h，再以3℃/min的速度二段升温至1620℃烧结3h，随炉冷却至室温即可。

实施例3：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 80份、纳米ZrO₂ 20份、硅粉10份、SiC纤维5份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5份、丙烯酰胺改性壳聚糖10份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1份、聚硅氧烷乳液2份、聚丙烯酸铵1份、丙三醇10份、水80份；

其中，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种和丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法同实施例1；

上述高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法如下：

将丙烯酰胺改性壳聚糖、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、聚硅氧烷乳液、聚丙烯酸铵、丙三醇，混合均匀后所得浆料球磨5h，再于60℃真空除泡20min后压注成型，充型压力为8MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中以5℃/min的速度一段升温至500℃排胶1h，再以1℃/min的速度二段升温至1560℃烧结2h，随炉冷却至室温即可。

实施例4：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 100份、纳米ZrO₂ 20份、硅粉20份、SiC纤维5份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种10份、丙烯酰胺改性壳聚糖10份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺2份、聚硅氧烷乳液2份、聚丙烯酸铵1份、丙三醇10份、水120份；

其中，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种和丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法同实施例1；

上述高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法如下：

将丙烯酰胺改性壳聚糖、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、聚硅氧烷乳液、聚丙烯酸铵、丙三醇，混合均匀后所得浆料球磨5h，再于80℃真空除泡20min后压注成型，充型压力为10MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中以5℃/min的速度一段升温至600℃排胶1h，再以3℃/min的速度二段升温至1560℃烧结3h，随炉冷却至室温即可。

实施例5：

一种高强度氧化铝陶瓷材料，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 80份、纳米ZrO₂ 30份、硅粉10份、SiC纤维10份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5份、丙烯酰胺改性壳聚糖20份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1份、聚硅氧烷乳液2份、聚丙烯酸铵1份、丙三醇20份、水80份；

其中，LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种和丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法同实施例1；

上述高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法如下：

将丙烯酰胺改性壳聚糖、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、聚硅氧烷乳液、聚丙烯酸铵、丙三醇，混合均匀后所得浆料球磨10h，再于60℃真空除泡40min后压注成型，充型压力为8MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中以10℃/min的速度一段升温至500℃排胶2h，再以1℃/min的速度二段升温至1620℃烧结2h，随炉冷却至室温即可。

对比例1：

与实施例1基本相同，区别在于，不加入硅粉。

对比例2：

与实施例1基本相同，区别在于，不加入SiC纤维。

对比例3：

与实施例1基本相同，区别在于，不加入LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种。

对比例4：

与实施例1基本相同，区别在于，片状Al₂O₃晶种不经过LaMgAl₁₁O₁₉包覆。

对比例5：

与实施例1基本相同，区别在于，用聚丙烯酰胺代替丙烯酰胺改性壳聚糖。

对比例6：

与实施例1基本相同，区别在于，用壳聚糖代替丙烯酰胺改性壳聚糖。

性能测试：

以本发明实施例1-5及对比例1-6中氧化铝陶瓷材料作为试样进行性能测试；

把试样加工成3mm×4mm×10mm的标准试条，用三点弯曲强度法测量其抗弯强度，所用仪器为数显式陶瓷抗折机，其加载速率为0.5mm/min，抗弯强度取5根试样的平均值；

用阿基米德法测定试样的体积密度，浸渍液体为水；

采用单边切口梁法6ENB测定试样的断裂韧性，切口槽深为试样高度的0.5倍左右，断裂韧性取5根试样的平均值；

测试结果如下表1所示：

表1：

由上表1可知，本发明所制备氧化铝陶瓷材料致密度高，力学性能优良，其中抗弯强度≥723MPa，断裂韧性≥6.62MPa·m^1/2，作为载荷零部件使用，具有极佳的工作可靠性和使用安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高强度氧化铝陶瓷材料，其特征在于，由以下重量份数的原料制备而成：

纳米α-Al₂O₃ 80-100份、纳米ZrO₂ 20-30份、硅粉10-20份、SiC纤维5-10份、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种5-10份、有机单体10-20份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1-2份、分散剂3-5份、增塑剂10-20份、水80-120份；

所述LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种的制备方法如下：

将氢氧化铝、氯化钾、氯化钠混合球磨，所得混合粉末置于坩锅中，1100-1200℃煅烧2-3h，冷却后经水和乙醇洗涤并干燥得到片状Al₂O₃晶种，将硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝加入水中，搅拌均匀后加入柠檬酸，升温至85-95℃加入片状Al₂O₃晶种，继续搅拌3-5h后抽滤，所得固体先于180-200℃干燥8-10h得到前驱体，然后于850-950℃煅烧6-10h，最后于1500-1550℃煅烧4-6h即可；

所述有机单体为丙烯酰胺改性壳聚糖，所述丙烯酰胺改性壳聚糖的制备方法如下：

将壳聚糖加入醋酸中配制成溶液，搅拌升温至45-50℃，保护性气体氛围下，加入硝酸铈，反应30-50min后，加入丙烯酰胺，继续反应5-10h，反应液恢复室温后加入乙醇，用NaOH溶液调节体系pH至弱碱性，析出产物，过滤后用乙醇洗涤，真空干燥至恒重即可。

2.如权利要求1所述的高强度氧化铝陶瓷材料，其特征在于，所述柠檬酸、硝酸镧、硝酸镁、硝酸铝的物质的量比为19.5-26：1：1：11。

3.如权利要求1所述的高强度氧化铝陶瓷材料，其特征在于，所述壳聚糖、丙烯酰胺的质量比为3-5：1。

4.如权利要求1所述的高强度氧化铝陶瓷材料，其特征在于，所述分散剂包括聚硅氧烷乳液和聚丙烯酸铵；

所述聚硅氧烷乳液和聚丙烯酸铵的质量比为1-2：1。

5.如权利要求1所述的高强度氧化铝陶瓷材料，其特征在于，所述增塑剂为聚乙二醇、乙二醇、丙三醇、石蜡、水性聚氨酯中的任意一种或多种组合。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法，其特征在于，将有机单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺加入水中制成溶液，再向溶液中加入纳米α-Al₂O₃、纳米ZrO₂、硅粉、SiC纤维、LaMgAl₁₁O₁₉包覆片状Al₂O₃晶种、分散剂、增塑剂，混合均匀后所得浆料球磨5-10h，再于60-80℃真空除泡20-40min后压注成型，充型压力为8-10MPa，室温固化成型后脱模，干燥至恒重，再放入高温炉中一段升温至500-600℃排胶1-2h，再二段升温至1560-1620℃烧结2-3h，随炉冷却至室温即可。

7.如权利要求6所述的高强度氧化铝陶瓷材料的制备方法，其特征在于，一段升温速度为5-10℃/min，二段升温速度为1-3℃/min。