CN1377857A

CN1377857A - 大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应用方法

Info

Publication number: CN1377857A
Application number: CN 02113987
Authority: CN
Inventors: 蒋显亮; 熊晟; 詹自勤; 贺惠明; 袁剑峰
Original assignee: BAIFURUI MATERIALS CO Ltd HUNAN
Current assignee: BAIFURUI MATERIALS CO Ltd HUNAN
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2002-11-06

Abstract

本发明公开了一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应用方法,其特征是:生产方法包括以下步骤:(1)、利用湿法球磨获得水性纳米胶体;(2)、将水性纳米胶体喷雾干燥,获得大颗粒球形纳米陶瓷粉末;(3)、将喷雾干燥获得的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行热处理;(4)、将热处理后的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行等离子体致密化。用此方法生产出来的纳米陶瓷粉末流动性好,振实密度高,可应用于热喷涂和烧结成型,大大降低了陶瓷脆性,提高了热喷涂涂层和烧结制品的性能,是一种工艺流程简单、生产成本低的大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法。应用方法包括应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备纳米结构涂层的方法和应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备具有纳米结构陶瓷制品的方法。

Description

大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应用方法

技术领域：

本发明涉及一种陶瓷粉末的生产方法和应用方法，特别是涉及一种应用于热喷涂和烧结成型的大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应用方法。

技术背景：

热喷涂使用传统的陶瓷粉末(微米级)和优化的热喷涂参数可以制备出较高密度的涂层，但为了减少陶瓷中的应力和防止开裂，往往在进行喷涂时，基体需要冷却，其结果是涂层中颗粒的结合力降低，在使用服役过程中，这种层状颗粒容易脱落，大大缩短其使用寿命。然而当陶瓷材料具有纳米结构时，其室温脆性大大降低，韧性改善，涂层中内应力和开裂现象大大减少，同时，纳米涂层不具有层状结构，在使用服役过程中，不会以层状形式剥落，从而寿命大大延长，此外，在制备纳米涂层时，基体不一定需要冷却，工艺简单。

国内外研究实验表明：小于100nm的纳米粉末不能直接用来进行热喷涂。因为常规纳米粉末的流动性极差，无法输入等离子体中或高速火焰中，即使能勉强送进去一些，这些质量极小的小颗粒难以进入粘性等离子中，另外，由于常规纳米粉末具有比表面积大和单个颗粒质量小的特点，在热喷涂时物理、化学性能会发生改变，结果是涂层质量很差。

传统微米级陶瓷粉末材料烧结成型后，其室温脆性一直无法解决；而纳米陶瓷材料在应力的作用下，晶界可以发生滑动，从而裂纹的形成及扩散能力大大降低，韧性提高，脆性大大降低。

常规纳米陶瓷粉末由于流动性差、振实密度小等原因，很难直接压制成高密度坯体，为提高烧结制品的密度，需要长时间的高温烧结，这样会导致晶粒长大，从而使材料失去纳米结构组织。

大颗粒球形纳米陶瓷粉末，球形大颗粒尺寸为5～10μm，大颗粒内部为结合紧密的纳米颗粒，具有良好的流动性，振实密度高，能直接压制成高密度坯体，无需长时间的高温烧结，使材料保持纳米结构组织，从而提高韧性，大大降低烧结制品的脆性。

综上所述，无论是热喷涂还是陶瓷烧结成型，大颗粒球形纳米陶瓷粉末在航空航天、火力发电、汽车、化工、机械、冶金、纺织、印刷等众多行业都具有广泛的应用前景。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺流程简单、生产成本较低的大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法；本发明所要解决的另一个技术问题是提供几种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法。

为了获得大颗粒球形纳米陶瓷粉末，本发明采用的生产方法包括以下步骤：

(1)、利用湿法球磨获得水性纳米胶体；

(2)、将水性纳米胶体喷雾干燥，获得大颗粒球形纳米陶瓷粉术；

(3)、将喷雾干燥获得的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行热处理；

(4)、将热处理后的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行等离子体致密化。

本发明采用的纳米粉体材料粒径为5～90纳米，纳米粉体材料为纳米单一氧化物、纳米复合氧化物、纳米碳化物、纳米硼化物、纳米硅化物及纳米电池材料之一；其中，纳米电池材料为γ-MnO₂、α/β-Ni(OH)₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄、FeS₂之一；湿法球磨的球磨介质为氧化锆、碳化钨之一，直径介于Φ5mm～Φ10mm之间；球磨设备为周期式搅拌球磨机；湿润介质为超纯净水，分散介质为表面活性剂，其中，表面活性剂为聚乙烯醇、聚乙二醇和羧甲基纤维素之一，用量为纳米粉末重量的1～10wt％之间；通过这一方法，可获得多相均匀，分散良好的水性纳米胶体。

喷雾干燥方法为离心式喷雾干燥和压力式喷雾干燥之一；喷雾干燥的进风温度控制在240～360℃，出风温度控制在120～170℃，流量控制在5～100kg/h。通过这一喷雾干燥方法，水性纳米胶体形成5～90μm之间的大颗粒球形纳米陶瓷粉末。

热处理设备为箱式电阻炉和连续推舟式烧结炉之一，热处理温度在650～1300℃之间。本热处理工艺除去了表面活性剂和残余水分，消除大颗粒球形纳米陶瓷粉末的纳米颗粒界面弛豫现象，并使大颗粒球形纳米陶瓷粉末内部的纳米颗粒连结，而大颗粒之间并没有连结。

等离子体致密化为直流等离子体致密化和感应等离子体致密化之一，等离子体致密化的粉术注入方法为侧而注入和轴向注入之一，送粉速度为10～100g/min，集粉装置为水冷或空冷，等离子体的发生功率为40～100kw，温度为5000～15000℃之间，等离子发生气体为空气、氢气、氩气、氮气之一。等离子体致密化进一步提高了大颗粒球形纳米陶瓷粉末的流动性和振实密度，并使大颗粒球形纳米陶瓷粉末多相更加均匀化，合金化。

依此方法获得的大颗粒球形纳米陶瓷粉末的粒度介于5～90微米之间。

大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法，包括应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备纳米结构涂层的方法和应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备具有纳米结构陶瓷制品的方法。

应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备纳米结构涂层的方法为：将大颗粒球形纳米陶瓷粉末，用热喷涂的方式喷涂到工件上，以形成具有纳米结构的涂层；其中热喷涂的方式为等离子喷涂、高速火焰喷涂、电弧喷涂之一。

应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备具有纳米结构陶瓷制品的方法为：将大颗粒球形纳米陶瓷粉末压制成坯，烧结成型；其中烧结成型的方式为无压烧结、有压烧结之一，无压烧结包括常规无压烧结和微波烧结。

本发明生产的大颗粒球形纳米陶瓷粉术，球形大颗粒尺寸为5～90μm，大颗粒内部为结合紧密的纳米颗粒，具有良好的流动性，能像传统微米级粉末一样输入等离子体中，制备出组织结构均匀、性能优良、使用寿命长的纳米涂层，可广泛应用于航空航天、火力发电、汽车、化工、机械、冶金、纺织、印刷等行业，所以，本发明是一种工艺流程简单、切实可行的大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应用方法。

附图说明：

图1是本发明生产方法的流程图。

具体实施方式：

参见图1，为了获得大颗粒球形纳米陶瓷粉末，本发明采用的生产方法包括以下步骤：

(1)、利用湿法球磨获得水性纳米胶体；

(2)、将水性纳米胶体喷雾干燥，获得大颗粒球形纳米陶瓷粉末；

下面用具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1.

Al₂O₃-3wt％TiO₂大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法：

将平均粒径为70nm的Al₂O₃、TiO₂纳米粉末按重量比配料后投入球磨机内，按照与纳米粉末的1∶1～3的重量比注入超纯净水，按照总重量为纳米粉体的1～10wt％注入表面活性剂，按照与粉体1∶1～2的重量比投入直径Φ4.5mm～Φ10mm氧化锆球磨介质，球磨6～12小时；将球磨获得的水性纳米胶体进行喷雾干燥，喷雾干燥进风温度为240～360℃，出风温度为120～170℃，流量为5～50kg/h，获得5～90μm的大颗粒球形纳米陶瓷粉末；将喷雾干燥的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行热处理，热处理设备为箱式电阻炉，热处理温度为650～1200℃；将热处理后的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行等离子致密化，等离子发生装置功率为40～60kw，侧面送粉，送粉速度为10～100g/min，等离子发生气体为氩气加少量的氢气。

实施例2.

WC-12wt％Co大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法：

将平均粒径为80nm的WC粉和Co粉按重量比配料后投入球磨机内，按照与纳米粉末的1∶1～3的重量比注入超纯净水，按照总重量为纳米粉体的1～10wt％注入表面活性剂，按照与粉体1∶1～2的重量比投入直径Φ4.5mm～Φ10mm碳化钨球磨介质，球磨6～12小时；将球磨获得的水性纳米胶体进行喷雾干燥，喷雾干燥进风温度为240～360℃，出风温度为120～170℃，流量为5～50kg/h，获得5～90μm的大颗粒球形纳米陶瓷粉末；将喷雾干燥的大颗粒球形纳米陶瓷粉末置于管式炉中进行热处理，通氢气保护，热处理温度为450～1000℃；将热处理后的大颗粒球形纳米陶瓷粉末进行等离子致密化，等离子发生装置功率为40～60kw，侧面送粉，送粉速度为10～100g/min，等离子发生气体为氩气加少量的氢气并通入0.2～1L/min的甲烷。

实施例3.

ZrO₂-8wt％Y₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末采用等离子喷涂制备具有纳米结构的热障涂层：

将平均粒径为60nm的ZrO₂、Y₂O₃纳米粉末按重量比配料后投入球磨机内，以下步骤参见实例1.的生产方法，直到获得成品ZrO₂-8wt％Y₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末。

采用的热喷涂设备为大气等离子喷涂机，额定功率为方便用户40～100KW。热喷涂工艺参数如下：工作电流为500～800A，工作电压为50～80V，等离子发生气体(氩气+少量氢气)流量为50～100L/min，喷射距离为80～150mm，送粉器载气流量为3～8L/min，送粉速度为10～100g/min。

将金属工件先喷涂一层NiCrAlY过渡涂层，然后将前述制得的ZrO₂-8wt％Y₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末装入送粉器，按上述热喷涂工艺参数要求操作，即可制得具有纳米结构的陶瓷涂层。

实施例4.

Al₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末采用烧结成型制备具有纳米结构的陶瓷制品：

将平均粒径为50nm的Al₂O₃纳米粉末按一定重量投入球磨机内，以下步骤参见实例1.的生产方法，直到获得成品Al₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末(粒径为5～10微米)。

将粒径为5～10微米的Al₂O₃大颗粒球形纳米陶瓷粉末压制成坯体，压力为50～500吨；微波烧结，功率为10～200KW，频率为1200～2500MHz，温度为650～1300℃，烧结时间为2～10min。即可制得具有纳米结构的陶瓷制品。

Claims

1、一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：生产方法包括以下步骤：

(1)、利用湿法球磨获得水性纳米胶体；

2、根据权利要求1所述的一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：所用的纳米粉体粒径为5～90纳米，纳米粉体材料为纳米单一氧化物、纳米复合氧化物、纳米碳化物、纳米硼化物、纳米硅化物及纳米电池材料之一，所述的纳米电池材料为：γ-MnO₂、α/β-Ni(OH)₂、LiCoO₂、LiMn₂O₄、FeS₂之一。

3、根据权利要求1所述的一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：所述的湿法球磨的球磨介质为氧化锆、碳化钨之一，直径介于Φ5mm～Φ10mm之间；球磨设备为周期式搅拌球磨机；湿润介质为超纯净水，分散介质为表面活性剂；所述的表面活性剂为聚乙烯醇、聚乙二醇和羧甲基纤维素之一，用量为纳米粉末重量的1～10wt％之间。

4、根据权利要求1所述的一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：所述的喷雾干燥方法为离心式喷雾干燥和压力式喷雾干燥之一。

5、根据权利要求1所述的一种大颗粒求形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：所述的热处理设备为箱式电阻炉和连续推舟式烧结炉之一，热处理温度在650～1300℃之间。

6、根据权利要求1所述的一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法，其特征是：所述的等离子体致密化为直流等离子体致密化和感应等离子体致密化之一，等离子体致密化的粉末注入方法为侧面注入和轴向注入之一，送粉速度为10～100g/min，集粉装置为水冷或空冷，等离子体的发生功率为40～100kw，温度为5000～15000℃之间，等离子发生气体为空气、氢气、氩气、氮气之一或其混合。

7、一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法，其特征是：应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备纳米结构涂层的方法为：将大颗粒球形纳米陶瓷粉末，用热喷涂的方式喷涂到工件上，以形成具有纳米结构的涂层。

8、根据权利要求7所述的一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法，其特征是：所述的热喷涂的方式为等离子喷涂、高速火焰喷涂、电弧喷涂之一。

9、一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法，其特征是：应用大颗粒球形纳米陶瓷粉末制备具有纳米结构陶瓷制品的方法为：将大颗粒球形纳米陶瓷粉末压制成坯，烧结成型。

10、根据权利要求9所述一种大颗粒球形纳米陶瓷粉末的应用方法，其特征是：所述的烧结成型的方式为无压烧结、有压烧结之一，无压烧结包括常规无压烧结和微波烧结。