CN1762892A - 氧化铝/透辉石陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属陶瓷材料领域，涉及一种晶间气孔少、抗弯强度和断裂韧性高的氧化铝/透辉石陶瓷复合材料及其制备方法。该复合材料各组分的质量百分比为：氧化铝96－99.5％、透辉石0.5－4％。制备方法是首先采用硬质合金球将原料混合球磨后，使粉料通过100目筛，制得混合粉体；再将混合粉体装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结；烧结温度1400－1500℃，烧结压力25－30MPa，烧结时间1小时，保温保压30－40分钟。该陶瓷复合材料尤其适合于制作对耐磨性要求较高的模具、喷沙嘴、轴承等零部件。该复合材料制备工艺简单、原材料成本低，生产投资少。

Description

氧化铝/透辉石陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域：本发明属陶瓷材料领域，特别涉及一种晶间气孔少、抗弯强度和断裂韧性高的氧化铝/透辉石陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术：氧化铝陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性等优点，然而其本身的脆性限制了应用范围。目前已开发了多种氧化铝基陶瓷材料的增韧方法，例如，将铝、镍、铬等金属颗粒弥散在氧化铝中，通过金属颗粒的桥联和塑性变形消耗能量，达到增韧效果。但这种增韧方式的结果是氧化铝陶瓷材料的强度和硬度降低，电绝缘性和化学稳定性变差。利用SiC晶须增韧、ZrO₂相变增韧、TiC颗粒增韧以及纳米材料增韧，可以收到较好的增韧效果，但均有不同程度的缺陷。晶须增韧难以解决晶须毒性及其在基体中的均匀分布；ZrO₂在受应力作用下产生马氏体相变的相变增韧，其增韧效果随温度升高急剧下降。采用以上增韧方式得到的陶瓷材料，不但成本高，材料硬度较低，而且强化相与基体材料氧化铝之间湿润性差、容易发生界面反应，造成材料晶间气孔多、结合不良等缺陷。

发明内容：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种生产成本低、硬度高、晶间气孔少、抗弯强度和断裂韧性高的氧化铝/透辉石陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

氧化铝/透辉石陶瓷复合材料，其特征是各组分的质量百分比为：氧化铝96-99.5％、透辉石0.5-4％。

上述氧化铝/透辉石陶瓷复合材料，其特征是透辉石中各化学组分的质量百分比为：二氧化硅(SiO₂)54-56％，氧化钙(CaO)22.5-24％，氧化镁(MgO)17-18％，余为杂质。

上述氧化铝/透辉石陶瓷复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

1)、配料：按氧化铝96-99.5％、透辉石0.5-4％的质量百分比准备原料；

2)、球磨：将步骤1)中的氧化铝、透辉石混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体；

3)、烧结：将混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结，烧结温度1400-1500℃，烧结压力25-30MPa，烧结时间1小时，保温保压30-40分钟。

本发明采用透辉石作为增韧补强相，在烧结过程中，由于物理变化或化学反应，坯体内产生液相，在表面张力作用下，液相流动进入气孔。当Al₂O₃等固相被液相完全浸润时，晶粒间的迁移只通过液相发生。液相阻碍晶粒生长，使得晶粒尺寸细小，分布均匀，提高了材料的致密度和力学性能，也降低了烧结温度。MgO可以降低Al₂O₃的润湿温度，SiO₂有利于提高液相流动性。当液相体积足以填充坯体中所有的空隙时，可以得到致密、无孔的陶瓷产品。使用透辉石作为增韧补强相的目的有两个：一是形成液相烧结，减少晶间气孔，加速烧结过程，降低烧成温度；二是少量的透辉石可起到晶种的作用，使得Al₂O₃晶粒生长更加均匀，改变材料微观结构，提高材料性能。例如：透辉石中的MgO可在Al₂O₃晶粒间形成镁铝尖晶石薄层，将Al₂O₃晶粒包围，防止其长大，从而提高材料的抗弯强度。由于透辉石的成本较低，因而找到了一种低成本制造高性能Al₂O₃基结构陶瓷的方法。该陶瓷复合材料尤其适合于制作对耐磨性要求较高的模具、喷沙嘴、轴承等零部件。该复合材料制备工艺简单、原材料成本低，生产投资少。

具体实施方式：

下面给出本发明的三个最佳实施例

实施例一：将氧化铝(工业纯)、透辉石按氧化铝99％、透辉石1％的质量百分比准备原料。透辉石中各化学组分的质量百分比为：二氧化硅(SiO₂)55％，氧化钙(CaO)23％，氧化镁(MgO)18％，余为杂质。采用硬质合金球混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体。将混合粉体装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结，烧结温度1450℃，烧结压力30MPa，烧结时间1小时，保温30分钟。制得的氧化铝-透辉石陶瓷复合材料的维氏硬度为HV18.64GPa，抗弯强度427MPa，断裂韧性4.26MPa·m^1/2。经扫描电镜检测，没有发现晶间气孔。

实施例二：其它同实施例一，不同之处是氧化铝、透辉石按氧化铝98％、透辉石2％的质量百分比准备原料，透辉石中各化学组分的质量百分比为：二氧化硅(SiO₂)56％，氧化钙(CaO)24％，氧化镁(MgO)18％，余为杂质。烧结温度1500℃，烧结压力25MPa，保温40分钟，制得的氧化铝-透辉石陶瓷复合材料的维氏硬度HV18.17GPa，抗弯强度443MPa，断裂韧性4.38MPa·m^1/2。

实施例三：其它同实施例一，各组分质量百分比为：氧化铝(纯度为99％)、透辉石按氧化铝96％、透辉石4％的质量百分比准备原料。透辉石中各化学组分的质量百分比为：二氧化硅(SiO₂)54％，氧化钙(CaO)24％，氧化镁(MgO)18％，余为杂质。球磨机中球磨40小时，经真空干燥后用100目筛筛选。热压工艺为：在1500℃的温度下加压25Mpa，在氮气保护条件下热压烧结，保温35分钟。制得的氧化铝-透辉石陶瓷复合材料的维氏硬度HV17.40GPa，抗弯强度356MPa，断裂韧性4.66MPa·m^1/2。

Claims (3)

1.氧化铝/透辉石陶瓷复合材料，其特征是各组分的质量百分比为：氧化铝96-99.5％、透辉石0.5-4％。

2.根据权力要求1所述的氧化铝/透辉石陶瓷复合材料，其特征是透辉石中各化学组分的质量百分比为：二氧化硅(SiO₂)54-56％，氧化钙(CaO)22.5-24％，氧化镁(MgO)17-18％，余为杂质。

3.根据权力要求1或2所述的氧化铝/透辉石陶瓷复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

1)、配料：按氧化铝96-99.5％、透辉石0.5-4％的质量百分比准备原料；

2)、球磨：将步骤1)中的氧化铝、透辉石混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体；

3)、烧结：将混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结，烧结温度1400-1500℃，烧结压力25-30MPa，烧结时间1小时，保温保压30-40分钟。