CN1513803A - 高强度氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷及制备方法，属于精细化工领域。本发明的主要特征在于以La、Zr、Y、Al的无机盐和α－Al₂O₃为原料，首先通过沉淀包裹工艺制备或Al₂O₃、ZrO₂(2Y)和氧化锆包裹的氧化铝的复相粉体，然而高温烧结成Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷。该材料的突出特点是，瓷体中ZrO₂(2Y)和LaAl₁₁O₁₈的含量总和为30vol％，其中板状LaAl₁₁O₁₈颗粒在烧结过程中通过Al₂O₃和La₂O₃间的原位反应生成，瓷体显微结构均匀，在较宽的烧结温度范围内均表现出良好的力学性能好，适用于工业化批量生产。所提供的复相陶瓷Al₂O₃的含量为70vol％，ZrO₂和LaAl₁₁O₁₈含量为30vol％，ZrO₂为固溶有2mol％Y₂O₃的ZrO₂。

Description

高强度氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度的氧化铝/氧化锆/铝酸镧(Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈)复相陶瓷及制备方法，属于精细化工领域。

技术背景

氧化铝(Al₂O₃)陶瓷原料来源丰富，具有硬度高、化学稳定性好、抗高温、耐磨、耐腐蚀和绝缘性能好等优良特点，是目前在工业领域中得到最为广泛应用的陶瓷材料，被广泛应用于冶金、机械、汽车、电子、化工和航空航天等领域。但氧化铝陶瓷力学性能较差，这使得它作为结构部件在应用上受到限制。通过在氧化铝陶瓷中引入多种增韧补强剂来提高材料的力学性能，被认为是目前改善氧化铝陶瓷力学性能的最为有效的方法之一。单相氧化铝陶瓷的强度和韧性通常分别在400MPa-500MPa和3～4MPa.m^1/2左右，而研究发现含5vol％SiC纳米颗粒和20vol％3Y-TZP的氧化铝陶瓷的强度和韧性分别高达1700MPa和6Mpa.m^1/2；含4wt％TiC纳米颗粒和20wt％SiC晶须的氧化铝陶瓷的强度和韧性分别为1200MPa和7.5MPa.m^1/2。虽然上面所列举的氧化铝复相陶瓷相对于单相氧化铝陶瓷在力学性能上有大幅度的改善，但上述材料中往往存在着纳米颗粒和晶须在氧化铝基体中难以均匀分散，并且瓷体烧结温度高的缺点，不利于实现工业化大批量生产。另外，在氧化铝陶瓷中引入板状颗粒(如板状碳化硅或板状稀土铝酸盐颗粒)虽然也可以提高材料的力学性能，但同样存在着瓷体难烧结的问题。

本发明的目的在于提供一种可低温烧结的高强度Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷及制备方法。在该方法中LaAl₁₁O₁₈板状颗粒是通过原位反应生成的，从而消除了通常情况下在瓷体中引入板状颗粒对材料烧结的不利影响。另外，该方法以廉价的工业α-Al₂O₃和Al、Zr、Y、La的无机盐为原料，材料成本低，工艺设备简单，可以实现工业化批量生产。ZrO₂(2Y)是指因溶有2mol％的ZrO₂。

本发明提供的氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷具体化学组成为Al₂O₃70vol％，氧化锆和铝酸镧总量为30vol％

本发明通过沉淀包裹工艺制备了Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/La₂O₃/Al₂O₃复合粉体，然后经高温烧结得到高强度的复相陶瓷材料。图1列出其工艺流程。首先，配制La、Zr、Y(和Al)的无机盐混合水溶液。然后将上述溶液和氨水同时滴加到α-Al₂O₃的水悬浮液中并剧烈搅拌。所得沉淀物经多次洗涤后干燥、煅烧，然后高温烧结得到块状瓷体。详细工艺参数如下：

1.无机盐的选择：铝(Al)、镧(La)和钇(Y)的无机盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物的一种或几种，锆的无机盐为ZrOCl₂，混合水溶液的阳离子浓度为0.1-0.3M；

2.α-Al₂O₃在水中的分散：以聚丙烯酸或聚丙烯酸铵为分散剂，浓度为α-Al₂O₃固含量的1wt％-3wt％；

3.滴定过程中pH值：应控制在9-11之间，并强力搅拌，滴定过程的氨水浓度为4N；

4.粉体煅烧温度：为800℃-1100℃，保温时间为0.5h-1.5h。粉体煅烧在空气中进行以使粉体脱水和晶化并排除粉体制备过程中引入的有机物杂质。

5.瓷体烧结：烧结温度为1350℃-1500℃之间，保温时间为0.5h-1h。烧结温度过低或保温时间过短瓷体不能实现完全致密化；反之，瓷体中晶粒易长大。上述两种情况均不利于材料性能的提高。在烧结过程使Al₂O₃和La₂O₃原位反应生成板状LaAl₁₁O₁₈板状颗粒。

本发明的突出优点是：

1.以铝(Al)、镧(La)、锆(Zr)和钇(Y)的无机盐和工业α-Al₂O₃为原料，原料成本低。

2.瓷体中板状LaAl₁₁O₁₈颗粒在烧结过程中原位生成，避免了板状颗粒对烧结的不利影响。

3.材料烧结温度范围宽，显微结构均匀，具有高的力学性能。

4.材料制备工艺简单，适合于工业化批量生产。

附图说明：

图1为Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷制备工艺流程图。图2、图3和图4分别为实施例1中Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷的烧结曲线、XRD图谱和显微结构照片。图5为实施例2中Al₂O₃/ZrO₂(2Y)/LaAl₁₁O₁₈复相陶瓷的显微结构照片。表1和表2分别为实施例1和2中材料力学性能。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。然而本发明决非公局限于实施例。

实施例1

首先，把Al(NO₃)₃、ZrOCl₂、La(NO₃)₃和Y(NO₃)₃配制成阳离子浓度为0.2M的水溶液，其中Al∶La离子摩尔比为11∶1。在剧烈搅拌下将上述无机盐溶液和4N的氨水同时滴入α-Al₂O₃的水悬浮液中，在滴定过程中保持系统的pH值在9-10之间。所得沉淀经水洗6次，乙醇洗涤2次，100℃×12小时干燥，800℃×1小时煅烧后得到复合粉体然后在高湿下烧结。将所得复合粉体在1350℃-1500℃之间1小时热压烧结后进行显微结构分析和力学性能测试。图2为上述试样的烧结曲线，图3和图4分别为1500℃烧结试样的XRD图谱和显微结构照片。可以看出，该材料具有良好的烧结性，在1350℃-1500℃之间均能实现良好的致密化。瓷体中只包含α-Al₂O₃、t-ZrO₂和LaAl₁₁O₁₈相，且显微结构非常均匀。表1中所列举的该瓷体的力学性能数据表明，该材料在相当宽的烧结温度范围内(1400℃-1500℃)均表现出良好的力学性能，这对工业化生产非常有利。

        烧结温度    强度(MPa)  韧性(MPa·m^1/2)

        1400℃        950           3.4

        1450℃        1020          3.8

        1500℃        1000          3.8

                        表1

实施例2

与实施例1有所不同，在本实施例2中Al₂O₃成分完全来源于工业α-Al₂O₃。实验过程中首先把ZrOCl₂、La(NO₃)₃和Y(NO₃)₃配制成阳离子浓度为0.3M的水溶液，然后在剧烈搅拌下将上述无机盐溶液和4N的氨水同时滴入α-Al₂O₃的水悬浮液中，在滴定过程中保持系统的pH值在9-10之间。所得沉淀经水洗6次，乙醇洗涤2次，100℃×12小时干燥，800℃×1小时煅烧后得到化学组成为70vol％Al₂O₃+10vol％ZrO₂(2Y)+20vol％LaAl₁₁O₁₈的复合粉体。将所得复合粉体在1400℃-1500℃之间1小时热压烧结后进行显微结构分析和力学性能测试。图5为1500℃烧结所得瓷体的显微结构照片，表2中所列举了不同温度下烧结瓷体的力学性能数据。可以看出，由于粉体制备工艺上的差异，实施例2中材料的显微结构均匀性和力学性能相对于实施例1均有所降低，但其强度和韧性仍明显高于氧化铝陶瓷。并且该材料在相当宽的烧结温度范围内同样表现出稳定的力学性能。

        烧结温度    强度(MPa)  韧性(MPa·m^1/2)

        1400℃         806        3.2

        1450℃         852        3.7

        1500℃         794        3.4

                表2

实施例3

具体化学字组成为70vol％Al₂O₃+20vol％ZrO₂(2Y)+10vol％LaAl₁₁O₁₈，其们同实施例1。

实施例4

具体化学组成为70vol％Al₂O₃+15vol％ZrO₂(2Y)+15vol％LaAl₁₁O₁₈，其制制备工艺如图1所示

Claims (4)

1.一种高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷，其特征在于Al₂O₃含量为70vol％，氧化锆和铝酸镧含量之和为30vol％。

2.按权利要求1所述的一种高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷，其特征在于所述的板状LaAl₁₁O₁₈颗粒是在烧结过程中通过Al₂O₃和La₂O₃间原位反应生成的；所述的氧化锆为固溶有2mol％的ZrO₂。

3.按权利要求3所述的高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法，包括复合粉体制备和烧结二部份，其特征在于：

(1)无机盐的选择：铝、镧和钇的无机盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物的一种或几种，锆的无机盐为ZrOCl₂，混合水溶液的阳离子浓度为0.1-0.3M；

(2)α-Al₂O₃在水中的分散：以聚丙烯酸或聚丙烯酸铵为分散剂，浓度为α-Al₂O₃固含量的1wt％-3wt％；

(3)将上述(1)溶液和氨水同时滴加到(2)溶液中形成复相粉体；复相粉体是由Al₂O₃、ZrO₂和La₂O₃包裹的Al₂O₃组成；滴定过程中pH值控制在9-11之间，并强力搅拌；

(4)粉体煅烧温度：为800℃-1100℃，保温时间为0.5h-1.5h。粉体煅烧在空气中进行以使粉体脱水和晶化并排除粉体制备过程中引入的有机物杂质；

(5)瓷体烧结：烧结温度为1350℃-1500℃之间，保温时间为0.5h-1h。烧结过程使Al₂O₃和La₂O₃原位反应生成LaAl₁₁O₁₈。

4.按权利要求3所述的高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法，其特征在于滴定过程氨水浓度为4N。

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