一種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷及其制備方法，屬于納米摻加陶瓷制備【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過對原料中各相組分含量配比進(jìn)行限定，對燒結(jié)溫度、壓力和保溫時間進(jìn)行限定，從而制備出納米氧化鋁摻加的氮氧化鋁陶瓷；納米氧化鋁的加入多集中于材料晶界處，形成晶界釘扎作用，對裂紋擴(kuò)展的阻礙能力很高，材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性高。
【專利說明】一種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷及其制備方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及一種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷的制備方法，屬于納米增強(qiáng)陶瓷材料領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮氧化鋁（A10N)是A1203-A1N體系的一個重要的單相、穩(wěn)定的固溶體陶瓷，它以 其獨(dú)特的性能成為頗具潛力的新材料。A10N陶瓷具有優(yōu)良的光學(xué)、物理、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)， 特別是它所具有的各向同性，高溫?zé)Y(jié)可制成透明陶瓷，因而是耐高溫紅外窗和罩的優(yōu)選 材料。
[0003] 國內(nèi)外已有學(xué)者對A1N-A1203復(fù)相體系及其相穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：A1N 與A1203在高于1650 °C會發(fā)生反應(yīng)形成A10N。由于不同研究人員米用的原料條件、制備方 法不同，報道的A1N與A120 3開始反應(yīng)溫度也有所差別。但是氮氧化鋁陶瓷還存在著力學(xué)性 能相對較低的特點，這大大限制了氮氧化鋁在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，因此引入改善氮氧化鋁 材料的力學(xué)性能，會提高氮氧化鋁陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為氮氧化鋁工業(yè)化的應(yīng)用打下理 論基礎(chǔ)。
[0004] 納米相摻加增強(qiáng)陶瓷已廣泛應(yīng)用于各種基體的陶瓷復(fù)合材料，由于彌散的納米顆 粒會在燒結(jié)過程中限制基體晶粒的過度長大，且在顆粒間形成釘扎效應(yīng)，會在很大程度上 組織裂紋在基體中的擴(kuò)散，吸收較多的裂紋斷裂能量，因而會大大提高陶瓷復(fù)合材料的力 學(xué)性能。但是由于納米氧化鋁會在氮氧化鋁體系中發(fā)生固溶，且摻加量對體系的性能影響 較大，如何保證氮氧化鋁在高溫下的反應(yīng)及致密燒結(jié)和力學(xué)性能最優(yōu)是本發(fā)明解決的主要 問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種納米氧化鋁摻加的氮氧化鋁陶瓷的制備方法。本發(fā)明 在現(xiàn)有的氮氧化鋁陶瓷的制備方法上進(jìn)行改進(jìn)，從而提供一種針對納米氧化鋁增強(qiáng)的氮氧 化鋁陶瓷制備的技術(shù)；采用該制備工藝制備的氮氧化鋁陶瓷材料，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)、優(yōu) 異的力學(xué)性能和致密性。
[0006] 本發(fā)明中的納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷材料的制備方法，包括下述步驟： (1) 制備納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體 將納米氧化鋁粉體(粒徑為20-30nm)、氧化鈰(平均粒徑為1 μ m)、氮化鋁粉體(平均粒 徑為1 μ m)、氧化鋁粉體(平均粒徑為1 μ m)和無水乙醇按照1:0. 1:1:3:20質(zhì)量比進(jìn)行混合 (氧化鈰為燒結(jié)助劑)，在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散lh得到混合料漿；之后將混合料 漿放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為總量的0. 5-1%聚乙二醇； 球磨后料漿在真空干燥箱中80°C條件下干燥8h制備成納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁 混合粉體； (2) 燒結(jié) 混合粉體于真空、1650-1700°C、20-30MPa條件下燒結(jié)2-4h，得產(chǎn)品；升溫速度為 3-10°C / 分鐘。
[0007] 本發(fā)明的方法，步驟（1)中，原料的控制會很大程度上影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和相組 成，進(jìn)而對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。采用本發(fā)明的原料配比所制備的材料結(jié)構(gòu)致密， 主晶相為氮氧化鋁。步驟（2)中，溫度的控制、壓力的控制、燒結(jié)時間、升溫速度的改變，對 燒結(jié)過程中氮氧化鋁反應(yīng)生成及燒結(jié)過程具有顯著影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品的最終性能。本發(fā) 明所采用的燒結(jié)工藝，所制備的產(chǎn)品相成分主要為氮氧化鋁，結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能優(yōu)異。
[0008] 本發(fā)明通過對原料配比進(jìn)行限定，對燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、燒結(jié)時間進(jìn)行限定，從 而使在氮化鋁、氧化鋁粉體在燒結(jié)過程中，在壓力的作用下發(fā)生兩相固溶生成氮氧化鋁相； 由于納米氧化鋁相的存在很好的限制了氮氧化鋁晶粒的長大，并分散在晶界處，形成納米 顆粒釘扎作用，當(dāng)材料受外部應(yīng)力產(chǎn)生裂紋時，會很好地阻礙裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，提高氮氧 化鋁陶瓷材料的力學(xué)性能。具體來說本發(fā)明制備的納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷，其相對 密度為 99. 2% ;抗彎強(qiáng)度為 382. 6-424. 5MPa ;斷裂韌性為：4. 82-5. 14MPa*m1/2。
[0009] 上述制備工藝方法，優(yōu)選參數(shù)為： 納米氧化錯、氧化鋪、氮化錯、氧化錯的質(zhì)量比為1:0. 1:1:3 ; 燒結(jié)條件：真空氣氛、1700°C、30MPa條件下燒結(jié)4h的得產(chǎn)品；在此工藝參數(shù)條件下，所 得產(chǎn)品的相對密度為99. 2% ;抗彎強(qiáng)度為424. 5MPa ;斷裂韌性為：5. 14MPa*m1/2。
[0010] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性在于： 本發(fā)明相較于其他燒結(jié)工藝制備的氮氧化鋁陶瓷有更好的力學(xué)綜合性能； 由于納米氧化鋁的存在，可很好地降低體系燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)，節(jié)約燒結(jié)時間，降低 成本； 本工藝中納米相為氧化鋁，與基體氮氧化鋁有良好的結(jié)合性，不引入其他雜質(zhì)相； 另外，原料獲得容易，產(chǎn)品性能優(yōu)異，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性大大增加，有較高的成本性 價比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為實施例1中納米氧化鋁摻加氮氧化鋁的XRD圖譜； 圖2為實施例1中納米氧化鋁摻加氮氧化鋁的斷面低倍SEM圖； 圖3為實施例1中納米氧化鋁摻加氮氧化鋁的斷面高倍SEM圖； 圖4為實施例1中納米氧化鋁摻加氮氧化鋁的斷面EDS圖； 圖5為對比例1中未摻加納米氧化鋁的氮氧化鋁斷面SEM圖。

【具體實施方式】
[0012] 實施例1 將納米氧化鋁粉體(粒徑為20-30nm)、氧化鈰(平均粒徑為1 μ m)、氮化鋁粉體(平均粒 徑為1 μ m)、氧化鋁粉體(平均粒徑為1 μ m)和無水乙醇按照1:0. 1:1:3:20的比例放入燒 杯中，在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散lh得到混合料漿；之后將混合料漿放入聚四氟乙 烯罐中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為0. 5%聚乙二醇；球磨后料漿在真空干燥 箱中80°C條件下干燥8h制備成納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體，最后粉料放入石 墨磨具中于真空、1700°C、30MPa條件下燒結(jié)4h得樣品，0-1200°C升溫速率為10°C /分鐘， 1200-1700°C為3°C /分鐘。樣品力學(xué)性能為：相對密度99. 2% ;抗彎強(qiáng)度424. 5MPa ;斷裂韌 性5. 14MPa*m1/2。相組成及微觀結(jié)構(gòu)如圖1-4,可看到主相晶型為氮氧化鋁，只有部分未全 部反應(yīng)的氮化鋁氧化鋁，其中圖4中可看到燒結(jié)之后的納米氧化鋁晶粒生長成米粒狀位于 氮氧化鋁晶粒間，在晶界處形成釘扎作用，同時限制了晶粒的長大，因而力學(xué)性能優(yōu)異。
[0013] 實施例2 將納米氧化鋁粉體(粒徑為20-30nm)、氧化鈰(平均粒徑為1 μ m)、氮化鋁粉體(平均粒 徑為1 μ m)、氧化鋁粉體(平均粒徑為1 μ m)和無水乙醇按照1:0. 1:1:3:20的比例放入燒 杯中，在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散lh得到混合料漿；之后將混合料漿放入聚四氟乙 烯罐中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為1%的聚乙二醇；球磨后料漿在真空干燥 箱中80°C條件下干燥8h制備成納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體，最后粉料放入石 墨磨具中于真空、1650°C、20MPa條件下燒結(jié)2h得樣品，0-1200°C升溫速率為10°C /分鐘， 1200-1650°C為3°C /分鐘。樣品力學(xué)性能為：相對密度98. 6% ;抗彎強(qiáng)度382. 6MPa ;斷裂韌 性 4. 82MPa*m1/2。
[0014] 所述實施例1、2中所得的層狀鈦/氧化鋁復(fù)合材料的相對密度均大于98%，力學(xué)性 能也相較于純相氮氧化鋁有了明顯改善，且微觀結(jié)構(gòu)良好，微觀相組成可看到主晶相為氮 氧化鋁相，因此本發(fā)明提供了一種納米氧化鋁摻加氮氧化鋁陶瓷材料的制備方法。
[0015] 對比例1 將氧化鈰(平均粒徑為1 μ m)、氮化鋁粉體(平均粒徑為1 μ m)、氧化鋁粉體(平均粒徑 為Ιμπι)和無水乙醇按照0. 1:1:4:20的比例放入燒杯中，在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲 分散lh得到混合料漿；之后將混合料漿放入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁 球，分散劑為2g聚乙二醇；球磨后料漿在真空干燥箱中80°C條件下干燥8h制備成納米氧 化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體，最后粉料放入石墨磨具中于真空、1700°C、30MPa條件下燒 結(jié)4h得樣品，0-1200°C升溫速率為10°C /分鐘，1200-1700°C為3°C /分鐘。樣品力學(xué)性能 為：相對密度98. 2% ;抗彎強(qiáng)度242. 8MPa ;斷裂韌性2. 87MPa*m1/2。其微觀結(jié)構(gòu)如圖5,可看 到樣品斷面中晶粒多為穿晶斷裂，晶粒生長較粗大，無明顯晶界，因而相較于摻加納米氧化 鋁，力學(xué)性能較差。
【權(quán)利要求】
1. 一種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷，其特征在于，采用如下步驟制備而成： 制備納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體： 將粒徑為20-30nm納米氧化鋁粉體、平均粒徑為1 μ m的氧化鈰、平均粒徑為1 μ m的氮 化鋁粉體、平均粒徑為1 μ m的氧化鋁粉體和無水乙醇按照1:0. 1:1:3:20質(zhì)量比進(jìn)行混合， 在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散lh得到混合料漿；之后將混合料漿放入聚四氟乙烯罐 中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為0. 5-1%聚乙二醇；球磨后料漿在真空干燥箱中 80°C條件下干燥8h制備成納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁混合粉體； 燒結(jié)： 混合粉體于真空、1650-1700°C、20-30MPa條件下燒結(jié)2-4h，得產(chǎn)品；升溫速度為 0-1200°C升溫速率為10°C /分鐘，1200-1700°C為3°C /分鐘。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷，其特征在于，其相對密度為 98. 4-99. 2% ;抗彎強(qiáng)度為 382. 6-424. 5MPa ;斷裂韌性為：4. 82-5. 14MPa · m1/2。
3. -種納米氧化鋁增強(qiáng)氮氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于，包括下述步驟： 制備納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體： 將納米氧化鋁粉體、氧化鈰、氮化鋁粉體、氧化鋁粉體和無水乙醇按照1:0. 1:1:3:20 質(zhì)量比進(jìn)行混合，在常溫下進(jìn)行磁力攪拌加超聲分散lh得到混合料漿；之后將混合料漿放 入聚四氟乙烯罐中球磨24h，球磨介質(zhì)為氧化鋁球，分散劑為0. 5-1%聚乙二醇；球磨后料漿 在真空干燥箱中80°C條件下干燥8h制備成納米氧化鋁摻加的氮化鋁、氧化鋁粉體； 燒結(jié)： 混合粉體于真空、1650-1700°C、20-30MPa條件下燒結(jié)2-4h，得產(chǎn)品；升溫速度為 0-1200°C升溫速率為10°C /分鐘，1200-1700°C為3°C /分鐘。
【文檔編號】C04B35/622GK104045349SQ201410308279
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】李慶剛, 王志, 吳超, 馬妍, 栗媛媛, 劉美佳 申請人:濟(jì)南大學(xué)