CN112939582B - 一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷材料领域，提供一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷及其制备方法，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：氧化铝粉75～95份、氧化锆5～15份、硼酸铝晶须2～6份、烧结助剂6～12份、分散剂0.8～2份、粘结剂2.1～8.4份、溶剂18～36份，所述烧结助剂为二氧化钛与无碱铝硅玻璃的混合物。其克服现有技术采用单一增韧方式无法满足高质量陶瓷材料要求的问题。

Description

一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，尤其涉及一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷及其制备方法。
背景技术
结构陶瓷材料凭借着高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨性以及化学稳定性好等众多优良的性能受到医疗、航天航空、新能源、发动机、切削工具、电子信息等众多领域的亲睐，成为工业技术领域和人类日常生活不可或缺的关键材料。然而结构陶瓷存在脆性大的缺点，会在毫无征兆的情况下发生脆性断裂，这很大程度上限制了陶瓷材料的应用，尤其是在重要构件中的大规模应用。氧化铝陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广泛的一类氧化物陶瓷，提高氧化铝陶瓷的断裂韧性对其更为广泛的应用具有重大意义。
中国专利申请号：201811290039.6公开了一种氧化铝复相陶瓷绝缘件及其制备方法，制备所述氧化铝复相陶瓷绝缘件的原料包括α相氧化铝、纳米氧化锆和烧助剂，所述纳米氧化锆的重量占所述α相氧化铝和所述纳米氧化锆的重量之和的15～35％，所述烧结助剂的重量占所述α相氧化铝和所述纳米氧化锆的重量之和的8～10％，所述烧结助剂包括氧化钇、氧化钙和氧化镁。该氧化铝复相陶瓷绝缘件以α－Al2O3为基体材料，添加适量的纳米氧化锆和烧结助剂，利用ZrO2的相变增韧提高Al2O3复相陶瓷绝缘件的断裂韧性和抗热冲击性能，使Al2O3复相陶瓷绝缘件同时具有良好的抗热冲击性能和较高的机械强度。各种增韧方式固然能够改善陶瓷材料的断裂韧性，但均存在一定程度的不足，比如颗粒弥散增韧的增韧效果不显著；比如相变增韧对温度很敏感，在高温下会失去增韧效果；再比如晶须增韧存在分散工艺复杂，难烧结致密化，增强相与基体复杂的界面相容性问题。
发明内容
因此，针对以上内容，本发明提供一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，利用氧化锆和硼酸铝晶须协同增韧氧化铝陶瓷材料，进一步提高增韧效果，克服现有技术单一增韧方式存在的不足。
本发明的另一个目的在于提供该掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：氧化铝粉75～95份、氧化锆5～15份、硼酸铝晶须2～6份、烧结助剂6～12份、分散剂0.8～2份、粘结剂2.1～8.4份、溶剂18～36份，所述烧结助剂为二氧化钛与无碱铝硅玻璃的混合物，所述氧化锆为氧化钇稳定的氧化锆，氧化铝粉为α－氧化铝。
进一步的改进是：所述无碱铝硅玻璃由氧化铝、二氧化硅和氧化锌组成，各组分的配比为：氧化铝20～25wt.％，二氧化硅56～64wt.％，氧化锌11～24wt.％。
进一步的改进是：所述二氧化钛与无碱铝硅玻璃的质量比为1：0.8～2。
进一步的改进是：所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、羧丙基甲基纤维素中的一种或两种以上的混合物。
进一步的改进是：所述分散剂为聚丙烯酸钠、环烷油、聚乙二醇中的任意一种。
进一步的改进是：所述溶剂为异丙醇、乙酸丁酯、乙醇中的一种或两种以上的混合物。
进一步的改进是：所述氧化铝陶瓷的原料还包括1.5～6份增塑剂。
本发明还提供该氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据配方比例称取各原料，备用；
(2)将氧化铝粉、氧化锆、硼酸铝晶须、烧结助剂、溶剂和分散剂加入球磨机内，球磨分散12～20h，再加入粘合剂继续球磨24～36h；
(3)采用真空脱泡机对球磨后的物料进行抽真空脱泡，得到粘度≥15000mPa·s的陶瓷浆料；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料经流延成型得到陶瓷生坯，再将陶瓷生坯用模具切成需要的形状和尺寸，得到陶瓷坯片；
(5)在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉，将陶瓷坯片进行叠层并在130～150℃温度下预热处理80～120min，然后放入排胶炉内进行真空排胶；
(6)真空排胶后的陶瓷坯片进行烧结，烧结温度为1560～1620℃，烧结时间为4～8h，得到掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷。
进一步的改进是：步骤(5)真空排胶的具体步骤为：先以10～12℃/min的速率升温至250～300℃，然后保温2～3h，接着以6～8℃/min的速率升温至400～450℃，然后保温1～2h，接着以2～4℃/min速率升温至500～600℃，然后保温30～60min。
进一步的改进是：所述氧化锆在球磨前经过表面改性，具体步骤为：将偶联剂与有机溶剂按1：20质量比配成溶液，将氧化锆加入溶液中，搅拌反应40～100min，再通过超声波振荡20～40min，过滤、洗涤、烘干得到表面改性的氧化锆。
进一步的改进是：所述氧化锆与偶联剂的质量比为5～10：1。
进一步的改进是：步骤(2)中在添加粘合剂的同时加入增塑剂，然后进行球磨。
进一步的改进是：在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉之前进行等静压处理，所述等静压处理是将陶瓷坯片进行真空包装密封，然后升压至180～220MPa，保压8～15min。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
1、氧化锆属于多晶相转化的氧化物，常压下有三种形态，从高温到低温的存在形式依次为立方相、四方相和单斜相，当温度达到1170℃左右时，由单斜晶型转化为亚稳态的四方晶型。冷却时逆向转变，由四方晶型重新转化为单斜晶型，并伴随着一定的体积膨胀和剪切应变。通过对氧化锆进行稳定处理，使其相变受到抑制，在室温时保持四方相存在于基体中，当基体受到外力作用时，触发了氧化锆由四方相向单斜相转变，吸收外界能量，阻止裂纹的扩展或使裂纹偏转、分叉，并且相变过程中会吸收裂纹尖端和断裂面的大部分能量，起到提高断裂韧性的作用。本发明利用氧化钇稳定氧化锆，氧化钇可以进入氧化锆晶格内，具有一定的定轧作用限制氧化锆的晶型间的转变，从而得到室温时含四方相的氧化锆。硼酸铝晶须具有高强度和高弹性模量，既能为基体分担大部分外加应力，又能阻碍裂纹的连续扩展，并能在局部断裂时以拔出功的形式来耗散能量，起到提高断裂韧性的效果。与单独添加氧化锆和硼酸铝晶须增韧氧化铝陶瓷相比，同时加入氧化锆与硼酸铝晶须不仅增韧效果更好，而且力学性能也明显优于单独添加氧化锆和硼酸铝晶须制备的氧化铝陶瓷，产生1+1＞2的效果。
氧化铝和氧化锆均具有极好的化学稳定性，烧结活性差，因此需要高温烧结，但氧化锆相变增韧的效果随温度的逐步升高而显著下降，二者之间存在矛盾。为此，通过引入合适的烧结助剂，可以显著提高物质的扩散速率，达到促进烧结的目的，又可以降低烧结温度，最大限度地降低温度对氧化锆增韧效果的不良影响。二氧化钛作为烧结助剂可以促进氧化铝陶瓷的烧结，这是本领域技术人员的公知的现有技术，但单纯添加二氧化钛可能会引起晶粒过分生长从而导致力学性能的下降。本发明添加无碱铝硅玻璃与二氧化钛作为复合烧结助剂，发现既使氧化铝陶瓷的烧结温度降低，也没有削弱材料的力学性能。
2、氧化锆在基体中分散性的好坏，决定了相变增韧氧化铝陶瓷的效果，还影响氧化铝陶瓷材料的机械强度。本发明在球磨前对氧化锆进行表面改性，提升了氧化锆在基体中的分散程度，提高材料的致密化，有助于获得综合性能优异的产品。
3、烧结前进行排胶处理，能够有效去除陶瓷坯体中的有机物和水分，进一步选择真空排胶的方式，在真空环境下有机物直接分解，不会发生氧化产生炭渣，有利于烧结，提高材料的致密化程度。采用分段式升温进行排胶，既能有效去除陶瓷坯体内的有机物，还能保证陶瓷坯体在排胶过程中均匀收缩，避免发生瞬间排过快导致产品变形、坍塌、孔隙率过大的现象。
4、在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉之前进行等静压处理，在对生坯排胶烧结之前先冷等静压处理，能够提高陶瓷坯片的密度，有助于后续烧结过程的进行，得到致密度高、力学性能好的氧化铝陶瓷。
总之，本发明通过氧化铝陶瓷配方的调整优化，以及生产工艺的改进，获得综合性能优良陶瓷基板，不同于现有技术虽然某些方面的性能得到提升，却忽视了给其他方面带来的不良影响。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
若未特别指明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所采用的试剂和产品也均为可商业获得的。
实施例一
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝75份、氧化钇稳定的氧化锆5份、硼酸铝晶须2份、二氧化钛2.4份、无碱铝硅玻璃3.6份、聚丙烯酸钠0.8份、聚乙烯醇2.1份、异丙醇18份、邻苯二甲酸二甲酯1.5份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：20wt.％氧化铝，56wt.％二氧化硅，24wt.％氧化锌。
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据配方比例称取各原料，备用；
(2)将偶联剂与乙醇按1：20质量比配成溶液，将氧化钇稳定的氧化锆加入溶液中，所述氧化钇稳定的氧化锆与偶联剂的质量比为5：1，搅拌反应40min，再通过超声波振荡20min，过滤、洗涤、烘干得到表面改性的氧化锆；
(3)将α－氧化铝、表面改性的氧化锆、硼酸铝晶须、二氧化钛、无碱铝硅玻璃、异丙醇和聚丙烯酸钠加入球磨机内，球磨分散12h，再加入聚乙烯醇和邻苯二甲酸二甲酯继续球磨24h；
(4)采用真空脱泡机对球磨后的物料进行抽真空脱泡，得到粘度≥15000mPa·s的陶瓷浆料；
(5)将步骤(4)得到的陶瓷浆料经流延成型得到陶瓷生坯，再将陶瓷生坯用模具切成需要的形状和尺寸，得到陶瓷坯片；
(6)将陶瓷坯片进行真空包装密封，然后升压至180MPa，保压8min，然后在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉，将陶瓷坯片进行叠层并在130℃温度下预热处理80min，然后放入排胶炉内进行真空排胶，真空排胶的具体步骤为：先以10℃/min的速率升温至250℃，然后保温2h，接着以6℃/min的速率升温至400℃，然后保温1h，接着以2℃/min速率升温至500℃，然后保温30min；
(7)真空排胶后的陶瓷坯片进行烧结，烧结温度为1560℃，烧结时间为8h，得到掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷。
实施例二
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝85份、氧化钇稳定的氧化锆10份、硼酸铝晶须4份、二氧化钛5份、无碱铝硅玻璃4份、环烷油1.5份、聚乙烯醇缩丁醛5份、乙酸丁酯27份、邻苯二甲酸二乙酯4份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：22wt.％氧化铝，60wt.％二氧化硅，18wt.％氧化锌。
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据配方比例称取各原料，备用；
(2)将偶联剂与乙醇按1：20质量比配成溶液，将氧化钇稳定的氧化锆加入溶液中，所述氧化钇稳定的氧化锆与偶联剂的质量比为8：1，搅拌反应70min，再通过超声波振荡30min，过滤、洗涤、烘干得到表面改性的氧化锆；
(3)将α－氧化铝、表面改性的氧化锆、硼酸铝晶须、二氧化钛、无碱铝硅玻璃、乙酸丁酯和环烷油加入球磨机内，球磨分散16h，再加入聚乙烯醇缩丁醛和邻苯二甲酸二乙酯继续球磨30h；
(4)采用真空脱泡机对球磨后的物料进行抽真空脱泡，得到粘度≥15000mPa·s的陶瓷浆料；
(5)将步骤(4)得到的陶瓷浆料经流延成型得到陶瓷生坯，再将陶瓷生坯用模具切成需要的形状和尺寸，得到陶瓷坯片；
(6)将陶瓷坯片进行真空包装密封，然后升压至200MPa，保压12min，然后在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉，将陶瓷坯片进行叠层并在140℃温度下预热处理100min，然后放入排胶炉内进行真空排胶，真空排胶的具体步骤为：先以11℃/min的速率升温至280℃，然后保温2.5h，接着以7℃/min的速率升温至420℃，然后保温1.5h，接着以3℃/min速率升温至550℃，然后保温45min；
(7)真空排胶后的陶瓷坯片进行烧结，烧结温度为1600℃，烧结时间为6h，得到掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷。
实施例三
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝95份、氧化钇稳定的氧化锆15份、硼酸铝晶须6份、二氧化钛4份、无碱铝硅玻璃8份、聚乙二醇2份、羧丙基甲基纤维素8.4份、乙醇36份、6份磷酸三辛酯，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分数的原料组成：25wt.％氧化铝，64wt.％二氧化硅，11wt.％氧化锌。
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据配方比例称取各原料，备用；
(2)将偶联剂与乙醇按1：20质量比配成溶液，将氧化钇稳定的氧化锆加入溶液中，所述氧化钇稳定的氧化锆与偶联剂的质量比为10：1，搅拌反应100min，再通过超声波振荡40min，过滤、洗涤、烘干得到表面改性的氧化锆；
(3)将氧化铝粉、表面改性的氧化锆、硼酸铝晶须、二氧化钛、无碱铝硅玻璃、乙醇和聚乙二醇加入球磨机内，球磨分散20h，再加入羧丙基甲基纤维素和磷酸三辛酯继续球磨36h；
(4)采用真空脱泡机对球磨后的物料进行抽真空脱泡，得到粘度≥15000mPa·s的陶瓷浆料；
(5)将步骤(4)得到的陶瓷浆料经流延成型得到陶瓷生坯，再将陶瓷生坯用模具切成需要的形状和尺寸，得到陶瓷坯片；
(6)将陶瓷坯片进行真空包装密封，然后升压至220MPa，保压15min，然后在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉，将陶瓷坯片进行叠层并在150℃温度下预热处理120min，然后放入排胶炉内进行真空排胶，真空排胶的具体步骤为：先以12℃/min的速率升温300℃，然后保温3h，接着以8℃/min的速率升温至450℃，然后保温2h，接着以4℃/min速率升温至600℃，然后保温60min；
(7)真空排胶后的陶瓷坯片进行烧结，烧结温度为1620℃，烧结时间为4h，得到掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷。
实施例四(省略等静压处理)
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝75份、氧化钇稳定的氧化锆5份、硼酸铝晶须2份、二氧化钛2.4份、无碱铝硅玻璃3.6份、聚丙烯酸钠0.8份、聚乙烯醇2.1份、异丙醇18份、邻苯二甲酸二甲酯1.5份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：20wt.％氧化铝，56wt.％二氧化硅，24wt.％氧化锌。
制备过程中在陶瓷坯片表面直接敷一层隔粘粉，不进行等静压处理，其他步骤与实施例一一致。
实施例五(不添加硼酸铝晶须)
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝75份、氧化钇稳定的氧化锆7份、二氧化钛2.4份、无碱铝硅玻璃3.6份、聚丙烯酸钠0.8份、聚乙烯醇2.1份、异丙醇18份、邻苯二甲酸二甲酯1.5份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：20wt.％氧化铝，56wt.％二氧化硅，24wt.％氧化锌。
制备方法步骤与实施例一一致。
实施例六(不添加氧化锆)
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝75份、硼酸铝晶须7份、二氧化钛2.4份、无碱铝硅玻璃3.6份、聚丙烯酸钠0.8份、聚乙烯醇2.1份、异丙醇18份、邻苯二甲酸二甲酯1.5份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：20wt.％氧化铝，56wt.％二氧化硅，24wt.％氧化锌。
制备方法步骤与实施例一一致。
实施例七(不添加无碱铝硅玻璃)
一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：α－氧化铝75份、氧化钇稳定的氧化锆5份、硼酸铝晶须2份、二氧化钛6份、聚丙烯酸钠0.8份、聚乙烯醇2.1份、异丙醇18份、邻苯二甲酸二甲酯1.5份，所述无碱铝硅玻璃由以下质量百分比的原料组成：20wt.％氧化铝，56wt.％二氧化硅，24wt.％氧化锌。
制备方法步骤与实施例一一致。
性能测试
对各实施例制备得到的氧化铝陶瓷进行密度、弯曲强度、硬度和断裂韧性方面的性能检测，其中致密度采用GB/T 25995－2010《精细陶瓷密度和显气孔率试验方法》进行测试，弯曲强度采用GB/T 6569－2006《精细陶瓷弯曲强度试验方法进测试，断裂韧性采用单边切口梁方法进行测试，硬度采用ASTME384－17纳米压痕方法进行测试，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0002935322660000101
Figure BDA0002935322660000111
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1.一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述氧化铝陶瓷由以下重量份的各原料制成：氧化铝粉75～95份、氧化锆5～15份、硼酸铝晶须2～6份、烧结助剂6～12份、分散剂0.8～2份、粘结剂2.1～8.4份、溶剂18～36份，所述烧结助剂为二氧化钛与无碱铝硅玻璃的混合物，所述无碱铝硅玻璃由氧化铝、二氧化硅和氧化锌组成，所述氧化锆为氧化钇稳定的氧化锆，氧化铝粉为α－氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述无碱铝硅玻璃中各组分的配比为：氧化铝20～25wt.%，二氧化硅56～64wt.%，氧化锌11～24wt.%。
3.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述二氧化钛与无碱铝硅玻璃的质量比为1：0.8～2。
4.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、羧丙基甲基纤维素中的一种或两种以上以任意比混合的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酸钠、环烷油、聚乙二醇中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述溶剂为异丙醇、乙酸丁酯、乙醇中的一种或两种以上以任意比混合的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷，其特征在于：所述氧化铝陶瓷的原料还包括1.5～6重量份增塑剂。
8.一种如权利要求1所述的掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据配方比例称取各原料，备用；
(2)将氧化铝粉、氧化锆、硼酸铝晶须、烧结助剂、溶剂和分散剂加入球磨机内，球磨分散12～20h，再加入粘合剂继续球磨24～36h；
(3)采用真空脱泡机对球磨后的物料进行抽真空脱泡，得到粘度≥15000mPa·s的陶瓷浆料；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷浆料经流延成型得到陶瓷生坯，再将陶瓷生坯用模具切成需要的形状和尺寸，得到陶瓷坯片；
(5)在陶瓷坯片表面敷一层隔粘粉，将陶瓷坯片进行叠层并在130～150℃温度下预热处理80～120min，然后放入排胶炉内进行真空排胶；
(6)真空排胶后的陶瓷坯片进行烧结，烧结温度为1560～1620℃，烧结时间为4～8h，得到掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷。
9.根据权利要求8所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(5)真空排胶的具体步骤为：先以10～12℃/min的速率升温至250～300℃，然后保温2～3h，接着以6～8℃/min的速率升温至400～450℃，然后保温1～2h，接着以2～4℃/min速率升温至500～600℃，然后保温30～60min。
10.根据权利要求8所述的一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述氧化锆在球磨前经过表面改性，具体步骤为：将偶联剂与有机溶剂按1：20质量比配成溶液，将氧化锆加入溶液中，搅拌反应40～100min，再通过超声波振荡20～40min，过滤、洗涤、烘干得到表面改性的氧化锆。
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