專利名稱：高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷((Mg、Ce)-PSZ)的制備方法，屬于陶瓷材料的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(PSZ)在現(xiàn)代工業(yè)中有著極為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)添加的穩(wěn)定劑不同，現(xiàn)有涉及部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的制備技術(shù)專利主要包括添加單一穩(wěn)定劑(如Y2O3，CaO，MgO，CeO2，TiO2等)和添加復(fù)合穩(wěn)定劑((Y、Ce)-PSZ，(Y、Mg)-PSZ等)兩大類專利如美國(guó)專利US4279655，其相關(guān)技術(shù)是在硅質(zhì)量含量低于0.03wt％的氧化鋯粉末中添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.8-4.0wt％的MgO，將成型坯體在1550-1800℃燒成、冷卻至室溫，獲得立方穩(wěn)定氧化鋯陶瓷；再升溫至1100-1400℃進(jìn)行熱處理，熱處理過程中四方析出體從立方晶體中析出，呈梭子狀，尺寸為150nm左右，部分析出體相變?yōu)閱涡毖趸?m-ZrO2)。這種材料具有良好的力學(xué)性能和抗熱震性，可用于制備陶瓷模具、密封件、紡織器件和刀具。因?yàn)镸gO與ZrO2的固溶溫度較高，采用工業(yè)氧化鋯為原料時(shí)，這類材料的燒結(jié)溫度較高，一般在1700℃左右，材料由粒徑為50-100μm的粗晶粒組成，相關(guān)的專利還有US5155071、CN87100024。為了降低燒結(jié)溫度開展了復(fù)合添加劑的研究，相關(guān)專利有中國(guó)專利CN1089249A，美國(guó)專利US4820667，US4977114，US5279995，US6284692，US5002911等，在(Mg、Ce)-PSZ陶瓷體系中，最具代表的是美國(guó)專利US4977114，其相關(guān)技術(shù)為以MgCl2、Ce(NO3)4和ZrOCl2·8H2O為原料，通過共沉淀法獲得含Mg、Ce和Zr元素的氫氧化物混合沉淀，將沉淀壓濾、干燥、碾磨，在600℃煅燒2小時(shí)，再經(jīng)振動(dòng)磨粉碎，可獲得平均粒徑為0.1μm的(Mg、Ce)-ZrO2粉體。CeO2含量為7-12mol％，MgO含量為2-7mol％，將粉體成型，在1500℃燒結(jié)2小時(shí)，陶瓷材料的最高力學(xué)性能可達(dá)彎曲強(qiáng)度為1300MPa，韌性為17MPa·m1/2，硬度為11GPa；材料為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，平均粒徑在0.6-2.0μm之間。這種材料非常適用做機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，如軸承、噴嘴、活塞和密封件等。再如美國(guó)專利US5002911，其相關(guān)技術(shù)是在部分穩(wěn)定氧化鋯(如Ce-ZrO2)和Al2O3混合粉體中加入0.01-0.3mol％氧化鍶(SrO)，成型坯體在高于1200℃燒結(jié)30-150分鐘；燒結(jié)體由等軸晶粒組成，直徑在0.1-10μmμm之間，在基體中原位生長(zhǎng)板狀SrO·6Al2O3晶粒，其厚度為0.5μm，寬度為5μm。材料的斷裂韌性大于10MPa·m1/2，四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度大于500MPa，維氏硬度大于10。
用上述方法制備的材料，根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為兩類，一是采用濕式化學(xué)法制備的粉料為原料，燒結(jié)溫度較低，燒結(jié)體由細(xì)晶粒組成；另一類是以固相法制備的粉料為原料，MgO為穩(wěn)定劑，燒結(jié)體由粗晶立方氧化鋯組成，經(jīng)熱處理析出納米尺寸的四方析出體；但燒結(jié)溫度較高，在1700℃左右。上述材料均具有較高的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，是高性能陶瓷結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)選材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的制備方法，以該方法制備的陶瓷具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異力學(xué)性能和廣泛的用途。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的以粒徑為4-8μm的工業(yè)氧化鋯為主要原料，按氧化鋯、氧化鎂和氧化鈰的摩爾百分比為(77-88)∶(8-11)∶(4-12)進(jìn)行配料，以上述配料為基準(zhǔn)，再外加粒徑為0.5-4μm0.2-1.0mol％的氧化鋁，將粉體濕式混合、干燥、成型，于1500-1580℃燒結(jié)2-4h，總升溫時(shí)間為7-11.5小時(shí)，將燒結(jié)體以150-200℃/h的速度冷卻至1100℃熱處理1-4小時(shí)，自然冷卻至室溫，而后再將燒結(jié)體升溫至1300-1500℃進(jìn)行熱處理2-4小時(shí)，冷卻至室溫；可制得具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋯陶瓷，網(wǎng)絡(luò)孔徑為100-200nm，材料的彎曲強(qiáng)度為400-600MPa，斷裂韌性為12-21MPa·m1/2。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用機(jī)械混合法制備復(fù)合粉末，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，燒結(jié)溫度較傳統(tǒng)Mg-PSZ低100-200℃；顯微結(jié)構(gòu)呈多孔網(wǎng)絡(luò)狀，晶界潔凈，材料具有較高的彎曲強(qiáng)度和優(yōu)異的斷裂韌性，可成為對(duì)功能-結(jié)構(gòu)一體化要求較高的部件的優(yōu)選材料。


附圖1為本發(fā)明于1560℃燒結(jié)2小時(shí)，1380℃熱處理3小時(shí)所制得的陶瓷材料的電鏡照片具體實(shí)施方式
實(shí)施例1以一摩爾為單位，按摩爾百分比為88∶8∶4分別稱取粒徑為4-8μm的氧化鋯粉末108.43克，輕質(zhì)氧化鎂3.2克，氧化鈰6.88克，外加0.47克粒徑為0.5-4μm的氧化鋁粉末，再加入213ml蒸餾水。將混合料在微粒球磨機(jī)中球磨4小時(shí)，干燥、造粒、成型，于1580℃燒結(jié)4小時(shí)，總升溫時(shí)間為7.5小時(shí)；以150-200℃/h的速度冷卻至1100℃熱處理4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，再將試樣升溫至1450℃熱處理3小時(shí)，而后自然冷卻至室溫，材料顯微結(jié)構(gòu)呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑約為120nm，彎曲強(qiáng)度為483 MPa，斷裂韌性為12.2MPa·m1/2。
實(shí)施例2以一摩爾為單位，按摩爾百分比為82∶10∶8分別稱取粒徑為4-8μm的氧化鋯粉末101.04克，輕質(zhì)氧化鎂4.0克，氧化鈰13.76克，外加0.82克粒徑為0.5-4μm的氧化鋁粉末，再加入215ml蒸餾水。將混合料在微粒球磨機(jī)中球磨4小時(shí)，干燥、造粒、成型，于1540℃燒結(jié)2小時(shí)，總升溫時(shí)間為10小時(shí)；以150-200℃/h的速度冷卻至1100℃熱處理4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，再將試樣升溫至1420℃熱處理2小時(shí)，而后自然冷卻至室溫，材料顯微結(jié)構(gòu)呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑約為150nm，彎曲強(qiáng)度為426 MPa，斷裂韌性為18.2MPa·m1/2。
實(shí)施例3以一摩爾為單位，按摩爾百分比為77∶11∶12分別稱取粒徑為4-8μm的氧化鋯粉末94.88克，輕質(zhì)氧化鎂4.4克，氧化鈰20.65克，外加1.02克粒徑為0.5-4μm的氧化鋁粉末，再加入220ml蒸餾水。將混合料在微粒球磨機(jī)中球磨4小時(shí)，干燥、造粒、成型，于1500℃燒結(jié)2小時(shí)，總升溫時(shí)間為11.5小時(shí)；以150-200℃/h的速度冷卻至1100℃熱處理4小時(shí)后，自然冷卻至室溫，再將試樣升溫至1360℃熱處理4小時(shí)，而后自然冷卻至室溫，材料顯微結(jié)構(gòu)呈多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑約為130nm，彎曲強(qiáng)度為402MPa，斷裂韌性為14.3MPa·m1/2。
權(quán)利要求
1.一種高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的制備方法，其特點(diǎn)在于以粒徑為4-8μm的工業(yè)氧化鋯為主要原料，按氧化鋯、氧化鎂和氧化鈰的摩爾百分比為(77-88)∶(8-11)∶(4-12)進(jìn)行配料，以上述配料為基準(zhǔn)，再外加粒徑為0.5-4μm0.2-1.0mol％的氧化鋁，將粉體濕式混合、干燥、成型，于1500-1580℃燒結(jié)2-4h，總升溫時(shí)間為7-11.5小時(shí)，將燒結(jié)體以150-200℃/h的速度冷卻至1100℃熱處理1-4小時(shí)，自然冷卻至室溫，而后再將燒結(jié)體升溫至1300-1500℃進(jìn)行熱處理2-4小時(shí)，冷卻至室溫；可制得具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化鋯陶瓷，網(wǎng)絡(luò)孔徑為100-200nm，材料的彎曲強(qiáng)度為400-600MPa，斷裂韌性為12-21MPa·m1/2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的制備方法，屬于工程陶瓷材料的制備技術(shù)。其特征在于，以氧化鋯為基材，加入輕質(zhì)氧化鎂、氧化鈰和微量超細(xì)氧化鋁粉，按摩爾百分比為(77－88)∶(8－11)∶(4－12)進(jìn)行配料，用機(jī)械球磨法混合，干壓成型坯體在1500－1580℃燒結(jié)，在不同溫度經(jīng)二次熱處理，可獲得高韌性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷((Mg、Ce)－PSZ)，網(wǎng)絡(luò)孔徑為100－200nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其工藝過程簡(jiǎn)單，所制備的材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且微觀結(jié)構(gòu)呈多孔網(wǎng)絡(luò)狀，具有廣泛的用途。
文檔編號(hào)C04B38/00GK1600746SQ20041007232
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者蔡舒, 李金有, 林旭平, 陳愛華, 張寶清 申請(qǐng)人:天津大學(xué)