CN104341150B - 一种防静电氧化锆陶瓷及其制造工艺 - Google Patents

一种防静电氧化锆陶瓷及其制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防静电氧化锆陶瓷，其是由以下摩尔份数的原料组成：钇稳定氧化锆、氧化钠、氧化铝、氧化钙、一氧化镍、三氧化二铬、四氧化三锰、导电碳黑。防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：1）将钇稳定氧化锆进行充分球磨；2）将球磨后的钇稳定氧化锆、氧化钠、氧化铝、氧化钙、一氧化镍、三氧化二铬、四氧化三锰、导电碳黑混合进行充分砂磨混合；3）向上步得到的混合物中添加粘结剂，造粒；4）室温下，将上述球状颗粒置于模具中压制成型，再热压脱脂烧结；烧结完成后，自然冷却到室温即可。本发明生产出来的氧化锆陶瓷制品化学稳定性好，硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、绝缘性强，防静电性能优势显著。具有较好的应用前景。

Description

一种防静电氧化锆陶瓷及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种防静电氧化锆陶瓷及其制造工艺。
背景技术
氧化锆陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、防磁，绝缘等特性。但由于环境温度、湿度以及本身结构的因素，在某些特殊情况下，氧化锆陶瓷材料具有使电流通过的性质，可能产生导电性，存在静电。因此,氧化锆陶瓷材料的本质决定了使用环境。改善氧化锆陶瓷材料防静电性能，并且进一步全面提升氧化锆陶瓷材料的硬度、耐磨损性能、耐腐蚀性能等，以使其广泛应用于更苛刻的环境中，一直是本领域技术人员所要解决的技术问题。
关于防静电陶瓷，国内外的学者已做过大量的研究工作，美国专利US5525135提出了一种α-Al2O3-ZrO2-TiO2体系的防静电陶瓷材料，同时，该防静电陶瓷具有相对较高的耐磨性能。
此外，也有一些专利通过在配方体系中引入相应的添加剂来改善氧化锆陶瓷的防静电性能。
如：US4110260通过在氧化锆陶瓷中引入二氧化硅与二氧化钛来降低电阻率，最终获得具有防静电功能的陶瓷。
US6136323通过在氧化锆陶瓷中引入稀土氧化物以及铬酸盐，从而大大提高了陶瓷的防静电性能。
中国专利也做了大量的研究，目前中国专利在防静电陶瓷这块领域，主要集中在防静电陶瓷地板砖方面，例如申请号为201010563879.2的专利申请，公开了一种防静电陶瓷砖，它是以玻璃相、石英相、顽火辉石相为主体组成的建筑陶瓷砖，而所述陶瓷砖中搀杂有半导体氧化物，构成防静电陶瓷砖。并且声称所生成的产品具有防火、使用寿命长、防潮、防水、防蛀等特点，且生产方法简单可行，有利于工业化生产。
申请号为201210585834.4的专利申请，公开了一种防静电陶瓷砖的制造方法，方法步骤包括：a.喷雾干燥后的陶瓷砖粉料过80目筛，控制其含水率为1～4％；b.在导电粉中加入陶瓷用添加剂后加水球磨制备成导电粉浆料；c.将所述导电粉浆料包裹于所述陶瓷砖粉料上，所得到的包裹粉料含水率控制为5％～7.5％；d.将所述包裹粉料通过陶瓷砖布料***布料后压制成形，烧制后得到所述防静电陶瓷砖制品。
然而，防静电陶瓷地板砖，其用途相对较局限，功能较单一，主要集中在防静电改性上，对于具有广泛应用前景的防静电陶瓷材料，从目前的技术状况来看，也大多集中在防静电功能改性上，没有兼顾其他的性能，如硬度、耐磨损性能、耐腐蚀性能等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防静电氧化锆陶瓷及其制造工艺。
本发明所采取的技术方案是：
一种防静电氧化锆陶瓷，其是由以下质量份的原料组成：68％-95％的钇稳定氧化锆、0.1％-5％的氧化钠、0.5％-15％的氧化铝、0.05％-8％的氧化钙、0.05％-10％份的一氧化镍、0.1％-10％的三氧化二铬、0.2％-10％四氧化三锰、0.3％-20％的导电碳黑。
所述的钇稳定氧化锆为钇稳定氧化锆煅烧颗粒、钇稳定氧化锆粉中的至少一种。
所述的钇稳定氧化锆煅烧颗粒为3mol钇稳定二氧化锆煅烧颗粒，其粒径为1μm-3μm。
所述的氧化钠的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99％。
所述的氧化铝的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99％。
所述的导电碳黑为超导电碳黑、其中位粒径为0.05μm-0.2μm。
一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将钇稳定氧化锆进行充分球磨；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、氧化钠、氧化铝、氧化钙、一氧化镍、三氧化二铬、四氧化三锰、导电碳黑混合进行充分砂磨混合；
3)向混合物中添加粘结剂，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于模具中压制成型，再热压脱脂烧结；烧结完成后，自然冷却到室温即可。
步骤4)中，模具为钢模、橡胶模、石墨模具中的一种。
步骤4)中，热压脱脂烧结的烧结条件为：烧结温度为500℃-1550℃；升温速率为1℃/min-5℃/min；烧结压力为25MPa-40MPa；保温保压时间为2h-6h。
步骤4)中，烧结环境为真空环境或气氛环境，气氛环境采用的气体为空气、氢气、氩气、氮气中的至少一种。
本发明的有益效果是：
本发明生产出来的氧化锆陶瓷制品化学稳定性好，硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、绝缘性强，防静电性能优势显著。在电子陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷领域和刀具、工具领域中具有较好的应用前景。
具体实施方式
一种防静电氧化锆陶瓷，其是由以下质量百分比的原料组成：68％-95％的钇稳定氧化锆、0.1％-5％的氧化钠、0.5％-15％的氧化铝、0.05％-8％的氧化钙、0.05％-10％份的一氧化镍、0.1％-10％的三氧化二铬、0.2％-10％四氧化三锰、0.3％-20％的导电碳黑；各原料的用量加和为100％。
所述的钇稳定氧化锆为钇稳定氧化锆煅烧颗粒、钇稳定氧化锆粉中的至少一种。
优选的，所述的钇稳定氧化锆为钇稳定氧化锆煅烧颗粒，进一步优选的，为3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒；所述的3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒的粒径为1μm-3μm。
钇稳定氧化锆煅烧颗粒为现有技术产品，除了商业渠道获得外，也可按照现有技术中的方法即可制备得到，例如文献“王洪升，王贵，张景德等，钇稳定氧化锆纳米粉体制备技术研究进展，硅酸盐通报，2006，25(6)：117-121”中的图1所示的方法，为制得煅烧颗粒，只需到图1中的煅烧一步为止即可，不用经过研磨。
钇稳定氧化锆粉也为现有技术产品，商业渠道可获得。
优选的：所述的氧化钠的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99％；所述的氧化铝的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99％；所述的导电碳黑为超导电碳黑，其中位粒径为0.05μm-0.2μm。
一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行充分球磨；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、氧化钠、氧化铝、氧化钙、一氧化镍、三氧化二铬、四氧
化三锰、导电碳黑混合进行充分砂磨混合；
3)向上步得到的混合物中添加粘结剂，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为1-5℃/min，脱脂烧结温度为500-1550℃，烧结压力为25-40MPa，保温保压时间为2-6h，烧结后，自然冷却到室温。
步骤4)中，所述的模具为钢模、橡胶模、石墨模具中的一种。
评价本发明的防静电材料的性能，现引用标准SJ/T10694-2006，具有下列特性的材料可称为静电耗散材料，具有防静电功能：
体积导电型：具有体积电阻率大于等于1×104Ω·cm但小于1×1011Ω·cm的材料。
体积电阻率在以上范围内的，本发明标记为“√”，否则，记为“×”。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表1：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒料 9840
氧化钠(纯度99.5％) 186
氧化铝(纯度99％) 204
氧化钙(纯度90％) 112
导电碳黑(SCF) 90
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将9840g的3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行球磨12h；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、186g的氧化钠(纯度99.5％)、204g的氧化铝粉(纯度99％)、186g的氧化钙(纯度90％)、90g的导电碳黑(SCF)混合进行砂磨4h；
3)向上步得到的混合物中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
实施例2：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表2：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒料 6765
氧化钠(纯度99.5％) 186
氧化铝(纯度99％) 204
氧化钙(纯度90％) 112
导电碳黑(SCF) 180
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将6765g的3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行球磨12h；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、186g的氧化钠(纯度99.5％)、204g的氧化铝(纯度99％)、112g的氧化钙(纯度90％)、180g的导电碳黑(SCF)混合进行砂磨4h；
3)向上步得到的混合物中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
实施例3：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表3：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒料 9840
一氧化镍(纯度99％) 37
三氧化二铬(纯度99％) 23
四氧化三锰(纯度85％) 80
导电碳黑(SCF) 90
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将9840g的3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行球磨12h；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、37g的一氧化镍纯度99％)、23g的三氧化二铬(纯度99％)、80g的四氧化三锰(纯度85％)、90g的导电碳黑SCF)混合进行砂磨4h；
3)向上步得到的混合物中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
实施例4：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表4：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒料 6765
一氧化镍(纯度99％) 37
三氧化二铬(纯度99％) 23
四氧化三锰(纯度85％) 80
导电碳黑(SCF) 180
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将6765g的钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行球磨12h；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、37g的一氧化镍粉(纯度99％)、23g的三氧化二铬粉(纯度99％)、80g的四氧化三锰(纯度85％)、180g的导电碳黑(SCF)混合进行砂磨4h；
3)向上步得到的混合物中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
实施例5：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表5：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒料 7995
氧化钠(纯度99.5％) 186
氧化铝(纯度99％) 204
氧化钙(纯度90％) 112
一氧化镍(纯度99％) 37
三氧化二铬(纯度99％) 23
四氧化三锰(纯度85％) 80
导电碳黑(SCF) 90
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将7995g的3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行球磨12h；
2)将球磨后的钇稳定氧化锆、186g的氧化钠(纯度99.5％)、204g的氧化铝(纯度99％)、112g的氧化钙(纯度90％)、37g的一氧化镍(纯度99％)、23g的三氧化二铬(纯度99％)、80g的四氧化三锰粉(纯度85％)、90g的导电碳黑(SCF)混合进行砂磨4h；
3)向上步得到的混合物中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
经综合测试：
1、此防静电陶瓷制品密度为6.01g/cm3，维氏硬度HRA为89，在500℃长期连续使用半年，表面没出现凹凸不平等磨损现象。
2、将此防静电陶瓷制品放在浓硫酸(浓度98％)中浸泡48小时，没出现掉渣现象。
实施例6：
防静电氧化锆陶瓷的配方成份，如下表：
表6：防静电氧化锆陶瓷的配方成份表
原料 用量/g
3mol钇稳定纳米氧化锆 7995
氧化钠(纯度99.5％) 186
氧化铝(纯度99％) 204
氧化钙(纯度90％) 112
一氧化镍(纯度99％) 37
三氧化二铬(纯度99％) 23
四氧化三锰(纯度85％) 80
导电碳黑(SCF) 90
防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，步骤如下：
1)将186g的氧化钠(纯度99.5％)、204g的氧化铝(纯度99％)、112g的氧化钙粉(纯度90％)、37g的一氧化镍(纯度99％)、23g的三氧化二铬(纯度99％)、80g的四氧化三锰粉(纯度85％)、90g的导电碳黑(SCF)混合进行砂磨6h；
2)将7995g的的3mol钇稳定纳米氧化锆、上步得到的混合物混合均匀，再向其中添加质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液，添加量为混合物(即3mol钇稳定纳米氧化锆与步骤1)砂磨后的物料组成的混合物)质量的6％，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
3)将上述球状颗粒置于不锈钢模具中压制成型，再进行热压脱脂烧结，其中，升温速率为5℃/min，脱脂烧结温度为1450℃，烧结压力为25MPa，保温保压时间为3h，烧结后，自然冷却到室温。
经测试：
1、此防静电陶瓷制品密度为6.01g/cm3，维氏硬度HRA为89，在500℃长期连续使用半年，表面没出现凹凸不平等磨损现象。
2、将此防静电陶瓷制品放在浓硫酸(浓度98％)中浸泡48小时，没出现掉渣现象。
对实施例1-6的产品进行体积电阻率的测试，其结果如下表：
表7：各产品的电阻率是否大于等于1×104Ω·cm但小于1×1011Ω·cm的结果汇总表
即实施例5、6的产品具有防静电功能。

Claims (10)

1.一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：其是由以下质量百分比的原料组成：68%-95%的钇稳定氧化锆、0.1%-5%的氧化钠、0.5%-15%的氧化铝、0.05%-8%的氧化钙、0.05%-10%份的一氧化镍、0.1%-10%的三氧化二铬、0.2%-10%四氧化三锰、0.3%-20%的导电碳黑。
2.根据权利要求1所述的一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：所述的钇稳定氧化锆为钇稳定氧化锆煅烧颗粒、钇稳定氧化锆粉中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：所述的钇稳定氧化锆煅烧颗粒为3mol钇稳定氧化锆煅烧颗粒，其粒径为1μm-3μm。
4.根据权利要求1所述的一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：所述的氧化钠的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99%。
5.根据权利要求1所述的一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：所述的氧化铝的中位粒径为0.1μm-0.5μm，纯度≥99%。
6.根据权利要求1所述的一种防静电氧化锆陶瓷，其特征在于：所述的导电碳黑为超导电碳黑，其中位粒径为0.05μm-0.2μm。
7.权利要求1所述的一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，其特征在于：步骤如下：
1）将钇稳定氧化锆煅烧颗粒进行充分球磨；
2）将球磨后的钇稳定氧化锆、氧化钠、氧化铝、氧化钙、一氧化镍、三氧化二铬、四氧化三锰、导电碳黑混合后进行充分砂磨混合；
3）向混合物中添加粘结剂，造粒，获得粒径为20μm-50μm的球状颗粒；
4）将上述球状颗粒置于模具中压制成型，再热压脱脂烧结；烧结完成后，自然冷却到室温即可。
8.根据权利要求7所述的一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，其特征在于：步骤4）中，模具为钢模、橡胶模、石墨模具中的一种。
9.根据权利要求7所述的一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，其特征在于：步骤4）中，热压脱脂烧结的烧结条件为：烧结温度为500℃-1550℃；升温速率为1℃/min-5℃/min；烧结压力为25MPa-40MPa；保温保压时间为2h-6h。
10.根据权利要求7所述的一种防静电氧化锆陶瓷的制造工艺，其特征在于：步骤4）中，烧结环境为真空环境或气氛环境，气氛环境采用的气体为空气、氢气、氩气、氮气中的至少一种。
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