CN116621566B - 一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体公开了一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法。高韧性氧化铝陶瓷，由以下质量份数的组分制得：氧化铝92‑93份；粘土1‑2份；稳定剂0.5‑1.5份；助熔剂1‑2份；增韧助剂3‑4份；增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配。本发明具有提高氧化铝陶瓷的韧性的优点。

Description

一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，尤其是涉及一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷是以氧化铝位主要原料，经过高温焙烧而制成的陶瓷材料。
氧化铝陶瓷具有很好的耐磨性能，较高的硬度，较佳的耐热性能，而且密度较低，制得的产品质量较轻，适用范围较广，通过氧化铝陶瓷安装在设备的易磨损部位，能大幅度延长设备的使用寿命。
但是，氧化铝陶瓷由于硬度大，导致其刚性较高的同时缺乏韧性，导致氧化铝陶瓷较脆，容易出现裂纹和断裂，因此，还有改善空间。
发明内容
为了提高氧化铝陶瓷的韧性，本申请提供一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种高韧性氧化铝陶瓷，采用如下的技术方案：
一种高韧性氧化铝陶瓷，由以下质量份数的组分制得：
氧化铝92-93份；
粘土1-2份；
稳定剂0.5-1.5份；
助熔剂1-2份；
增韧助剂3-4份；
所述增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配。
通过采用上述技术方案，通过采用碳化铝、氧化钴、氮化钛复配作为增韧助剂，将增韧助剂添加至陶瓷材料中，在烧结的过程中，能诱导氧化铝产生晶格形变，从而改变氧化铝陶瓷的物理性状，使得氧化铝陶瓷的韧性得以显著提升，从而使得氧化铝陶瓷不易出现裂纹和断裂的情况，氧化铝陶瓷质量更佳。
通过稳定剂、助熔剂与增韧助剂配合，更好地发挥增韧助剂诱导晶格形变的效果，从而使得改性氧化铝陶瓷的效果较佳。
优选的，所述碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例为1-2：3-4：2-3。
通过采用上述技术方案，通过具体选择碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例，改性氧化铝陶瓷的效果更佳，更好地提升氧化铝陶瓷的韧性，使得氧化铝陶瓷不易产生裂纹，从而使得氧化铝陶瓷的使用寿命更长适用范围更广。
优选的，所述稳定剂为氧化镁、氧化钠、氧化铈的复配。
通过采用上述技术方案，通过具体选择氧化镁、氧化钠、氧化铈复配作为稳定剂，能更好地与增韧助剂配合，使得诱导氧化铝晶格形变的程度更为适宜，不易导致氧化铝晶格过度形变导致强度及耐磨性下降的现象，既能提高氧化铝陶瓷的韧性同时能保持其他性能处于较高水平，使得氧化铝陶瓷的综合性能更佳。
优选的，所述氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例为3-4：1-2：2-3。
通过采用上述技术方案，通过具体选择氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例，与增韧助剂配合的效果更佳，制得的氧化铝陶瓷的综合性能更好，质量更佳。
优选的，所述稳定剂、增韧助剂的质量比例为1：3.5。
通过采用上述技术方案，通过具体选择稳定剂与增韧助剂的比例，使得稳定剂与增韧助剂的配合效果更佳，改性氧化铝陶瓷的效果更好，氧化铝陶瓷具有更高的韧性，同时综合性能保持较高水平。
优选的，所述助熔剂为碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的复配。
通过采用上述技术方案，通过具体选择碳酸锂、碳酸钾、氯化钠复配作为助熔剂，使得增韧助剂在助熔剂的作用下，更好地诱导氧化铝晶格形变，从而使得氧化铝陶瓷的韧性更高，质量更高。
优选的，所述碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例为2-3：3-4：1-2。
通过采用上述技术方案，通过具体选择碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例，与增韧助剂配合的效果更佳，进而使得改性氧化铝陶瓷韧性的效果更好。
优选的，所述助熔剂、增韧助剂的质量比例为1.5：3.5。
通过采用上述技术方案，通过具体选择助熔剂与增韧助剂的质量比例，使得助熔剂与增韧助剂配合的效果更佳，从而使得改性氧化铝陶瓷韧性的效果更好，制得的氧化铝陶瓷更不易出现裂纹和断裂的现象。
第二方面，本申请提供一种高韧性氧化铝陶瓷的制备方法，采用如下的技术方案：
一种上述的高韧性氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)，将各原料混合均匀，加水混混合，制得浆料；
步骤2)，将浆料旋蒸浓缩，制得泥饼；
步骤3)，将泥饼干燥，得胚体；
步骤4)，将胚体放入模具中压实，施压2-3MPa夹紧模具，加热升温至1500-1550℃，恒温60-90min，升温至1700-1750℃，恒温90-120min，自然冷却至150-200℃，模具泄压，静置5-10min，再次施压5-6MPa夹紧模具，升温至1200-1250℃，恒温15-30min，升温至1600-1650℃，恒温15-30min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
通过采用上述技术方案，通过二次分段升温的特殊工艺，使得氧化铝陶瓷的烧结的过程中，充分利用增韧助剂诱导晶格形变，使得晶格形变的效果较佳，在二次升温是能实现应力释放的效果，从而使得晶格形变后的氧化铝陶瓷具有更好的韧性，同时保持很高的耐磨性能，制得的氧化铝陶瓷质量较佳。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请通过采用碳化铝、氧化钴、氮化钛复配作为增韧助剂，将增韧助剂添加至陶瓷材料中，在烧结的过程中，能诱导氧化铝产生晶格形变，从而改变氧化铝陶瓷的物理性状，使得氧化铝陶瓷的韧性得以显著提升，从而使得氧化铝陶瓷不易出现裂纹和断裂的情况，氧化铝陶瓷质量更佳。
2、本申请中优选通过具体选择氧化镁、氧化钠、氧化铈复配作为稳定剂，能更好地与增韧助剂配合，使得诱导氧化铝晶格形变的程度更为适宜，不易导致氧化铝晶格过度形变导致强度及耐磨性下降的现象，既能提高氧化铝陶瓷的韧性同时能保持其他性能处于较高水平，使得氧化铝陶瓷的综合性能更佳。
3、本申请中优选通过具体选择碳酸锂、碳酸钾、氯化钠复配作为助熔剂，使得增韧助剂在助熔剂的作用下，更好地诱导氧化铝晶格形变，从而使得氧化铝陶瓷的韧性更高，质量更高。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
一种高韧性氧化铝陶瓷，由以下组分制得：
氧化铝、粘土、稳定剂、助熔剂、增韧助剂；
其中，氧化铝购置于济南祥丰伟业化工有限公司，型号030，CAS号：1344-28-1。
其中，粘土购置于石家庄铙泽矿产品有限公司，325目红黏土。
其中，稳定剂为氧化镁、氧化钠、氧化铈的复配，氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例为3：1：2。
氧化镁购置于潍坊达康化工有限公司，型号9844，CAS号：1309-48-4。
氧化钠购置于武汉吉鑫益邦生物科技有限公司，CAS号：1313-59-3。
氧化铈购置于武汉克米克生物医药技术有限公司，CAS号：1306-38-3。
其中，助熔剂为碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的复配，碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例为2：3：1。
碳酸锂购置于厦门祥德至上化工产品有限公司，CAS号：554-13-2。
碳酸钾购置于济南嘉阳化工有限公司，CAS号：584-08-7。
氯化钠购置于山东国化化学有限公司，CAS号：7647-14-5。
其中，增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配，碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例为1：3：2。
碳化铝购置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，CAS号：1299-86-1。
氧化钴购置于山东国化化学有限公司，CAS号：1307-96-6。
氮化钛购置于湖北成丰化工有限公司，CAS号：25583-20-4。
高韧性氧化铝陶瓷的制备方法如下：
步骤1)，将称量92kg氧化铝、1kg粘土、0.5kg稳定剂、1kg助熔剂、3kg增韧助剂，投入搅拌釜中，转速120r/min，搅拌3min，混合均匀，然后加入50kg水，转速120r/min，搅拌10min，混合均匀，制得浆料。
步骤2)，将浆料进行旋蒸浓缩，压力0.01MPa，旋蒸温度70℃，旋蒸至水分含量低于15％，制得泥饼。
步骤3)，将泥饼风干至水分含量低于2％，得胚体。
步骤4)，将胚体放入模具中压实，施压2MPa夹紧模具，加热升温至1500℃，恒温90min，升温至1700℃，恒温120min，自然冷却至150℃，模具泄压，静置5min，再次施压5MPa夹紧模具，升温至1200℃，恒温30min，升温至1600℃，恒温30min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
实施例2
一种高韧性氧化铝陶瓷，由以下组分制得：
氧化铝、粘土、稳定剂、助熔剂、增韧助剂；
其中，氧化铝购置于济南祥丰伟业化工有限公司，型号030，CAS号：1344-28-1。
其中，粘土购置于石家庄铙泽矿产品有限公司，325目红黏土。
其中，稳定剂为氧化镁、氧化钠、氧化铈的复配，氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例为3.5：1.5：2.5。
氧化镁购置于潍坊达康化工有限公司，型号9844，CAS号：1309-48-4。
氧化钠购置于武汉吉鑫益邦生物科技有限公司，CAS号：1313-59-3。
氧化铈购置于武汉克米克生物医药技术有限公司，CAS号：1306-38-3。
其中，助熔剂为碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的复配，碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例为2.5：3.5：1.5。
碳酸锂购置于厦门祥德至上化工产品有限公司，CAS号：554-13-2。
碳酸钾购置于济南嘉阳化工有限公司，CAS号：584-08-7。
氯化钠购置于山东国化化学有限公司，CAS号：7647-14-5。
其中，增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配，碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例为1.5：3.5：2.5。
碳化铝购置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，CAS号：1299-86-1。
氧化钴购置于山东国化化学有限公司，CAS号：1307-96-6。
氮化钛购置于湖北成丰化工有限公司，CAS号：25583-20-4。
高韧性氧化铝陶瓷的制备方法如下：
步骤1)，将称量92.5kg氧化铝、1.5kg粘土、1kg稳定剂、1.5kg助熔剂、3.5kg增韧助剂，投入搅拌釜中，转速120r/min，搅拌3min，混合均匀，然后加入50kg水，转速120r/min，搅拌10min，混合均匀，制得浆料。
步骤2)，将浆料进行旋蒸浓缩，压力0.01MPa，旋蒸温度70℃，旋蒸至水分含量低于15％，制得泥饼。
步骤3)，将泥饼风干至水分含量低于2％，得胚体。
步骤4)，将胚体放入模具中压实，施压2.5MPa夹紧模具，加热升温至1525℃，恒温75min，升温至1725℃，恒温105min，自然冷却至175℃，模具泄压，静置7.5min，再次施压5.5MPa夹紧模具，升温至1225℃，恒温22.5min，升温至1625℃，恒温22.5min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
实施例3
一种高韧性氧化铝陶瓷，由以下组分制得：
氧化铝、粘土、稳定剂、助熔剂、增韧助剂；
其中，氧化铝购置于济南祥丰伟业化工有限公司，型号030，CAS号：1344-28-1。
其中，粘土购置于石家庄铙泽矿产品有限公司，325目红黏土。
其中，稳定剂为氧化镁、氧化钠、氧化铈的复配，氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例为4：2：3。
氧化镁购置于潍坊达康化工有限公司，型号9844，CAS号：1309-48-4。
氧化钠购置于武汉吉鑫益邦生物科技有限公司，CAS号：1313-59-3。
氧化铈购置于武汉克米克生物医药技术有限公司，CAS号：1306-38-3。
其中，助熔剂为碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的复配，碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例为3：4：2。
碳酸锂购置于厦门祥德至上化工产品有限公司，CAS号：554-13-2。
碳酸钾购置于济南嘉阳化工有限公司，CAS号：584-08-7。
氯化钠购置于山东国化化学有限公司，CAS号：7647-14-5。
其中，增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配，碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例为2：4：3。
碳化铝购置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，CAS号：1299-86-1。
氧化钴购置于山东国化化学有限公司，CAS号：1307-96-6。
氮化钛购置于湖北成丰化工有限公司，CAS号：25583-20-4。
高韧性氧化铝陶瓷的制备方法如下：
步骤1)，将称量93kg氧化铝、2kg粘土、1.5kg稳定剂、2kg助熔剂、4kg增韧助剂，投入搅拌釜中，转速120r/min，搅拌3min，混合均匀，然后加入50kg水，转速120r/min，搅拌10min，混合均匀，制得浆料。
步骤2)，将浆料进行旋蒸浓缩，压力0.01MPa，旋蒸温度70℃，旋蒸至水分含量低于15％，制得泥饼。
步骤3)，将泥饼风干至水分含量低于2％，得胚体。
步骤4)，将胚体放入模具中压实，施压3MPa夹紧模具，加热升温至1550℃，恒温60min，升温至1750℃，恒温90min，自然冷却至200℃，模具泄压，静置10min，再次施压6MPa夹紧模具，升温至1250℃，恒温15min，升温至1650℃，恒温15min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
对比例1
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
采用氮化硼等量替换碳化铝。
其中，氮化硼来源于市售，CAS号：10043-11-5。
对比例2
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用硼化锆等量替换氧化钴。
其中，硼化锆来源于市售，CAS号：12045-64-6。
对比例3
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用硼化钛等量替换氮化钛。
其中，硼化钛来源于市售，CAS号：12045-63-5。
对比例4
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用氮化硼等量替换碳化铝。
采用硼化锆等量替换氧化钴。
采用硼化钛等量替换氮化钛。
其中，氮化硼来源于市售，CAS号：10043-11-5。
其中，硼化锆来源于市售，CAS号：12045-64-6。
其中，硼化钛来源于市售，CAS号：12045-63-5。
对比例5
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用氧化钙等量替换氧化镁。
其中，氧化钙来源于市售，CAS号：1305-78-8。
对比例6
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用氧化锆等量替换氧化钠。
其中，氧化锆来源于市售，CAS号：1314-23-4。
对比例7
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用氧化钇等量替换氧化铈。
其中，氧化钇来源于市售，CAS号：1314-36-9。
对比例8
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：采用氧化钙等量替换氧化镁。
采用氧化锆等量替换氧化钠。
采用氧化钇等量替换氧化铈。
其中，氧化钙来源于市售，CAS号：1305-78-8。
其中，氧化锆来源于市售，CAS号：1314-23-4。
其中，氧化钇来源于市售，CAS号：1314-36-9。
对比例9
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
采用碳酸钠等量替换碳酸锂。
其中，碳酸钠来源于市售，CAS号：497-19-8。
对比例10
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
采用碳酸钡等量替换碳酸钾。
其中，碳酸钡来源于市售，CAS号：513-77-9。
对比例11
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
采用氟化钠等量替换氯化钠。
其中，氟化钠来源于市售，CAS号：7681-49-4。
对比例12
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
采用碳酸钠等量替换碳酸锂。
采用碳酸钡等量替换碳酸钾。
采用氟化钠等量替换氯化钠。
其中，碳酸钠来源于市售，CAS号：497-19-8。
其中，碳酸钡来源于市售，CAS号：513-77-9。
其中，氟化钠来源于市售，CAS号：7681-49-4。
对比例13
一种高韧性氧化铝陶瓷，与实施例2相比，区别仅在于：
高韧性氧化铝陶瓷的制备方法中：
步骤4)，将胚体放入模具中压实，施压2.5MPa夹紧模具，加热升温至1525℃，恒温75min，升温至1725℃，恒温155min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
实验1
物理性能测试：
1、洛氏硬度测试
采用洛氏硬度计检测各实施例及对比例制得的高韧性氧化铝陶瓷的洛氏硬度。
2、抗压强度测试
根据GB/T4740-1999《陶瓷材料抗压强度试验方法》检测各实施例及对比例的高韧性氧化铝陶瓷制得的试样的抗压强度。
3、断裂韧性测试
根据GB/T23806-2009《精细陶瓷断裂韧性试验方法单边预裂纹梁(SEPB)法》，检测各实施例及对比例的高韧性氧化铝陶瓷制得的试样的断裂韧性值。
采用三点弯曲装置进行测试，试样规格采用试样Ⅰ。
实验1的具体检测数据详见表1。
表1
根据表1的数据对比可得，当采用碳化铝、氧化钴、氮化钛复配作为增韧剂时，制得的氧化铝陶瓷的断裂韧性显著提高，且硬度计抗压强度无明显的负面影响，对氧化铝陶瓷大幅度增韧的同时，减少了对其他物理性能的影响，使得氧化铝陶瓷具有更好的综合性能，质量更佳，使用范围更广，使用寿命更长。
当采用氧化镁、氧化钠、氧化铈复配作为稳定剂时，能更好地与增韧助剂配合，断裂韧性能得到进一步的提升，从而更好地改善氧化铝陶瓷的韧性，不易出现裂纹和断裂，同时对其他物理性能的影响较少，氧化铝陶瓷的综合性能较佳。
当采用碳酸锂、碳酸钾、氯化钠作为助熔剂时，能更好地与增韧助剂以及稳定剂配合，更进一步提高氧化铝陶瓷的韧性改性的效果，同时对其他物理性能影响较少，氧化铝陶瓷的综合性能更佳，质量更好。
在烧结时，通常采用二次加热的工艺，能在第二次加热的过程中释放应力，能更好地提高氧化铝陶瓷的韧性及抗压强度，制得的氧化铝陶瓷具有较好的韧性改性效果的同时，能减少对其他物理性能的负面影响，使得氧化铝陶瓷的综合性能更佳，应用范围更广。
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 (8)

1.一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：由以下质量份数的组分制得：
氧化铝92-93份；
粘土1-2份；
稳定剂0.5-1.5份；
助熔剂1-2份；
增韧助剂3-4份；
所述增韧助剂为碳化铝、氧化钴、氮化钛的复配；
所述碳化铝、氧化钴、氮化钛的质量比例为1-2：3-4：2-3。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述稳定剂为氧化镁、氧化钠、氧化铈的复配。
3.根据权利要求2所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述氧化镁、氧化钠、氧化铈的质量比例为3-4：1-2：2-3。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述稳定剂、增韧助剂的质量比例为1：3.5。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述助熔剂为碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的复配。
6.根据权利要求5所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述碳酸锂、碳酸钾、氯化钠的质量比例为2-3：3-4：1-2。
7.根据权利要求1所述的一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于：所述助熔剂、增韧助剂的质量比例为1.5：3.5。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的高韧性氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1），将各原料混合均匀，加水混合，制得浆料；
步骤2），将浆料旋蒸浓缩，制得泥饼；
步骤3），将泥饼干燥，得胚体；
步骤4），将胚体放入模具中压实，施压2-3MPa夹紧模具，加热升温至1500-1550℃，恒温60-90min，升温至1700-1750℃，恒温90-120min，自然冷却至150-200℃，模具泄压，静置5-10min，再次施压5-6MPa夹紧模具，升温至1200-1250℃，恒温15-30min，升温至1600-1650℃，恒温15-30min，冷却，泄压，脱模，得高韧性氧化铝陶瓷。
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