專利名稱：一種高韌性氧化鋁基陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高韌性的氧化鋁基陶瓷及其制備方法，屬陶瓷材料領域。
背景技術：
氧化鋁基陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等金屬材料難以相比的優點，其原材料廣泛、價格低廉又是其它陶瓷材料例如碳化硅、氮化硅、氧化鋯等所無法比擬的。它是發展比較早、成本低、應用最廣的一種陶瓷材料，在航天、航空、發動機耐磨部件、刀具等方面，具有十分誘人的應用前景，是航天、航空能源、冶金等領域中的關鍵技術和優選材料。然而，Al2O3陶瓷材料的化學鍵是離子鍵，有很強的方向性和很高的結合能，致使塑性變形難、脆性大、裂紋敏感性強。氧化鋁陶瓷材料的脆性極大地限制了該項材料的推廣應用。
因此，必須采取一定的措施，使陶瓷晶體的顯微結構盡可能細化。其中最主要的是使其晶粒盡可能細化，這將大大改善陶瓷材料的斷裂韌性。陶瓷是脆性材料，它的斷裂絕大多數是沿晶界發生的。晶粒細小時，晶界占的比例大，當沿晶界破壞時，裂紋擴展途徑變得曲折。晶粒越細小，該途徑就越長，所需要的能量越大，斷裂韌性值就越高。另外，燒結體中缺陷(裂紋)的初始尺寸與晶粒大小相當，晶粒細化的同時缺陷(裂紋)的初始尺寸也相應變小，其斷裂韌性值就高。由此可見，晶粒尺寸對斷裂韌性的影響是非常大的，應該在保證晶粒細小的同時，提高密度。細晶化是保證陶瓷材料斷裂韌性的關鍵。
在基本了解了Al2O3材料的強韌機理后，為了減小Al2O3基陶瓷材料的脆性，除了采用先進的制備工藝外，人們研究了許多增韌的手段。利用SiC晶須增韌，纖維增韌，ZrO2相變增韌，顆粒彌散增韌以及納米材料，可以收到較好的增韌效果，但均有不同程度的缺陷。晶須增韌難以解決晶須毒性及其在基體中的均勻分布；當晶須含量過高時，陶瓷材料的致密化將變得困難。纖維增韌要取得好的效果，必須是纖維在基體中充分浸漬且均勻布排，但這在工藝上難以實現，纖維增韌的質量很難控制。ZrO2在受應力作用下產生馬氏體相變的相變增韌，其增韌效果隨溫度升高急劇下降。顆粒增韌的效果與Al2O3相界面之間的結合強度有著密切關系，但顆粒增韌的結果往往降低陶瓷材料的硬度和強度，導致材料的介電性和熱穩定性等也下降，所以顆粒增韌的效果很有限。
采用納米級ZrO2(3Y)先驅體可有效阻礙Al2O3晶粒的異常長大，獲得了細晶結構的陶瓷材料。斷裂韌性的提高來源于密度的提高，晶粒的細化和納米ZrO2殘余應力場增韌。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種斷裂韌性高的氧化鋁基陶瓷及其制備方法。
本發明提出的一種高韌性氧化鋁基陶瓷，其特征在于，所述陶瓷含有α-Al2O3和ZrO2(3Y)先驅體，所述ZrO2(3Y)先驅體加入的體積百分比為3-12％。
在上述高韌性氧化鋁材料中，所述ZrO2(3Y)先驅體通過以下工藝制備(1)將ZrOCl2·8H2O按0.20-0.25mol/L的濃度溶于含有羥丙基纖維素為0.40-0.45g/L的醇水混合溶液中；(2)將上述混合液用微波加熱至沸點后，用NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯ZrO2·nH2O；(3)將Y(OH)3包覆到步驟2的ZrO2·nH2O顆粒表面，經800-850℃煅燒2-3h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
本發明提出的一種高韌性氧化鋁基陶瓷的制備方法，其特征在于，所述方法依次包括以下各步驟(1)在pH＝9.0-9.5條件下，用聚甲基丙烯酸銨進行表面改性，分別制備出α-Al2O3和ZrO2(3Y)單相水懸浮液。然后混合，攪拌，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液；(2)將步驟1的兩相水懸浮液在700-750℃下煅燒2-3小時，制備出高韌性氧化鋁基陶瓷混合粉體；(3)將步驟2的混合粉體在壓力為150-200MPa下等靜壓成型，在1500-1650℃溫度燒結，得高韌性氧化鋁基陶瓷。
由于本發明提供的氧化鋁基陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等金屬材料難以相比的優點。用表面被覆3mol％Y2O3的納米ZrO2(3Y)復合Al2O3基陶瓷并采用特殊工藝技術，能極大提高Al2O3(ZTA)陶瓷的韌性。利用Al2O3(ZTA)陶瓷材料制備的零部件具有硬度高、耐磨且工作過程中不發生化學變化等特點，因而從材質上降低了零部件在使用過程中出現的由于高溫磨損、硬度下降、脆性大而導致失效的幾率，提高了部件的使用壽命和使用效果。此外采用無壓燒結方法同時提高了Al2O3(ZTA)陶瓷材料的生產效率，降低了生產成本。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明本發明高斷裂韌性Al2O3陶瓷的制造方法包括如下具體步驟1、在pH＝9.0-9.5條件下，用PMAA-NH4(聚甲基丙烯酸銨)進行表面改性，將所占體積百分比為3、6、9、12的ZrO2(3Y)先驅體與α-Al2O3進行混合，制備出α-Al2O3和ZrO2(3Y)單相水懸浮液，攪拌制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液。在700-750℃下煅燒2-3小時，制備出ZTA陶瓷混合粉體；2、ZTA陶瓷混合粉體經過過篩后，在壓力為150-200MPa下等靜壓成型；3、采用無壓燒結使材料致密化，燒結溫度為1500-1650℃，氣氛為氧化氣氛，隨爐自然冷卻制備出高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。
其中預制ZrO2(3Y)先驅體按如下方法
將ZrOCl2·8H2O(分析純)按0.20-0.25mol/L的濃度溶于含有HPC(羥丙基纖維素)為0.40-0.45g/L的醇水混合溶液中。用微波加熱至沸點后，用NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯。然后再用非均勻成核法將Y(OH)3包覆到ZrO2·nH2O顆粒表面，經800-850℃煅燒2-3h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
實施例一(1)將30克ZrOCl2·8H2O按0.2mol/L的濃度溶于含有HPC(羥丙基纖維素)為0.4g/L的60ml醇水混合溶液中。用微波加熱至沸點后，用60ml NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯。然后將Y(OH)3包覆到ZrO2·nH2O顆粒表面，經800℃煅燒2h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
(2)在pH＝9條件下，用PMAA-NH4(聚甲基丙烯酸銨)進行表面改性，將100克α-Al2O3和3vol％ZrO2(3Y)混合，制備出單相水懸浮液，攪拌30min后，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液。在700℃下煅燒2小時，制備出ZTA陶瓷混合粉體。
(3)用200MPa等靜壓成型，在1600℃下無壓燒結，保溫時間2小時，氣氛為氧化氣氛，隨爐自然冷卻制備出高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。
結果是利用商業原料α相氧化鋁，添加表面被覆3mol％Y2O3的納米ZrO2(3Y)，在1600℃，保溫2h，氣氛為氧化氣氛的無壓燒成條件下，制備了高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。經檢測該產品的理論密度是97.3％，晶粒尺寸為1.1μm，斷裂韌性為4.39MPa·m1/2。
實施例二(1)將60克ZrOCl2·8H2O按0.25mol/L的濃度溶于含有HPC(羥丙基纖維素)為0.45g/L的120ml醇水混合溶液中。用微波加熱至沸點后，用120ml NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯。然后將Y(OH)3包覆到ZrO2·nH2O顆粒表面，經850℃煅燒3h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
(2)在pH＝9.5條件下，用PMAA-NH4(聚甲基丙烯酸銨)進行表面改性，將100克α-Al2O3和6vol％ZrO2(3Y)混合，制備出單相水懸浮液，攪拌30min后，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液。在750℃下煅燒3小時，制備出ZTA陶瓷混合粉體。
(3)用180MPa等靜壓成型，在1550℃下無壓燒結，保溫時間3小時，氣氛為氧化氣氛，隨爐自然冷卻制備出高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。
結果是利用商業原料α相氧化鋁，添加表面被覆3mol％Y2O3的納米ZrO2(3Y)，在1600℃，保溫2h，氣氛為氧化氣氛的無壓燒成條件下，制備了高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。經檢測該產品的理論密度是97.5％，晶粒尺寸為1.0μm，斷裂韌性為5.44MPa·m1/2。
實施例三(1)將90克ZrOCl2·8H2O按0.22mol/L的濃度溶于含有HPC(羥丙基纖維素)為0.42g/L的180ml醇水混合溶液中。用微波加熱至沸點后，用180ml NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯。然后將Y(OH)3包覆到ZrO2·nH2O顆粒表面，經800℃煅燒2.5h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
(2)在pH＝9.3條件下，用PMAA-NH4(聚甲基丙烯酸銨)進行表面改性，將100克α-Al2O3和9vol％ZrO2(3Y)混合，制備出單相水懸浮液，攪拌30min后，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液。在730℃下煅燒3小時，制備出ZTA陶瓷混合粉體。
(3)用180MPa等靜壓成型，在1580℃下無壓燒結，保溫時間3小時，氣氛為氧化氣氛，隨爐自然冷卻制備出高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。
結果是利用商業原料α相氧化鋁，添加表面被覆3mol％Y2O3的納米ZrO2(3Y)，在1600℃，保溫2h，氣氛為氧化氣氛的無壓燒成條件下，制備了高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。經檢測該產品的理論密度是97.7％，晶粒尺寸為0.95μm，斷裂韌性為7.62MPa·m1/2。
實施例四(1)將120克ZrOCl2·8H2O按0.25mol/L的濃度溶于含有HPC(羥丙基纖維素)為0.45g/L的240ml醇水混合溶液中。用微波加熱至沸點后，用240ml NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯。然后將Y(OH)3包覆到ZrO2·nH2O顆粒表面，經850℃煅燒2.5h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
(2)在pH＝9.4條件下，用PMAA-NH4(聚甲基丙烯酸銨)進行表面改性，將100克α-Al2O3和12vol％ZrO2(3Y)混合，制備出單相水懸浮液，攪拌30min后，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液。在750℃下煅燒2.5小時，制備出ZTA陶瓷混合粉體。
(3)用200MPa等靜壓成型，在1600℃下無壓燒結，保溫時間3小時，氣氛為氧化氣氛，隨爐自然冷卻制備出高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。
結果是利用商業原料α相氧化鋁，添加表面被覆3mol％Y2O3的納米ZrO2(3Y)，在1600℃，保溫2h，氣氛為氧化氣氛的無壓燒成條件下，制備了高斷裂韌性的Al2O3(ZTA)陶瓷。經檢測該產品的理論密度是98％，晶粒尺寸為0.9μm，斷裂韌性為7.66MPa·m1/2。但當ZrO2含量達12vol％時，在陶瓷材料斷口處，約有體積百分比為20％的ZrO2由于應力誘發產生相變，說明ZrO2含量超過9vol％時，增韌的機理已經發生了變化。
權利要求
1.一種高韌性氧化鋁基陶瓷，其特征在于，所述陶瓷含有α-Al2O3和ZrO2(3Y)先驅體，所述ZrO2(3Y)先驅體加入的體積百分比為3-12％。
2.按照權利要求1所述的高韌性氧化鋁材料，其特征在于，所述ZrO2(3Y)先驅體通過以下工藝制備(1)將ZrOCl2·8H2O按0.20-0.25mol/L的濃度溶于含有羥丙基纖維素為0.40-0.45g/L的醇水混合溶液中；(2)將上述混合液用微波加熱至沸點后，用NH3H2O中和，制備出水合二氧化鋯ZrO2·nH2O；(3)將Y(OH)3包覆到步驟2的ZrO2·nH2O顆粒表面，經800-850℃煅燒2-3h后，制備出ZrO2(3Y)的先驅體。
3.一種高韌性氧化鋁基陶瓷的制備方法，其特征在于，所述方法依次包括以下各步驟(1)在pH＝9.0-9.5條件下，用聚甲基丙烯酸銨進行表面改性，分別制備出α-Al2O3和ZrO2(3Y)單相水懸浮液，然后混合，攪拌，制備出高分散，均混合的兩相水懸浮液；(2)將步驟1的兩相水懸浮液在700-750℃下煅燒2-3小時，制備出高韌性氧化鋁基陶瓷混合粉體；(3)將步驟2的混合粉體在壓力為150-200MPa下等靜壓成型，在1500-1650℃溫度燒結，得高韌性氧化鋁基陶瓷。
全文摘要
本發明涉及一種具有高韌性的氧化鋁基陶瓷及其制備方法，屬陶瓷材料技術領域。所述陶瓷含有α－Al
文檔編號C04B35/64GK1793010SQ200610011190
公開日2006年6月28日 申請日期2006年1月13日 優先權日2006年1月13日
發明者李建保, 梁龍, 林紅, 郭鋼鋒, 何明生 申請人:清華大學