一種高韌性氧化鋁陶瓷及其制備方法與應用技術

本發明專利技術公開了一種高韌性氧化鋁陶瓷及其制備方法與應用，采用氫氧化鋁為起始原料，燒結助劑Y2O3以Y(NO3)3的形式加入，以預處理的CNTs為增韌劑，并加入分散劑，超聲使分散均勻，不斷攪拌下滴加弱堿性溶液，以形成添加劑離子的沉淀，使沉淀物以氧化鋁顆粒和CNTs為形核中心形成異質形核沉淀；再經過濾、醇洗、烘干，得到納米混合粉體；經放電等離子燒結、雙面拋光處理，得到高韌性氧化鋁陶瓷。本發明專利技術首先成功解決了CNTs與Al2O3和Y2O3陶瓷粉末作為燒結助劑直接球磨難以按比例混合均勻的問題；其次解決了Al2O3陶瓷在較低溫度下燒結難以完全致密而在較高溫度下燒結晶粒長大的問題。?

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于高性能氧化鋁陶瓷制備
，特別涉及一種高韌性氧化鋁陶瓷及其制備方法與應用。
技術介紹
氧化鋁陶瓷是一種以Al2O3為主要原料，以剛玉(a -Al2O3)為主晶相的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產量最大的陶瓷材料。氧化鋁基陶瓷材料具有彈性模量大、熱穩定性好、質量輕、價格低廉、資源豐富等特點，廣泛應用于高溫、高壓、抗輻射、抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕等環境。然而其本身的脆性限制了應用范圍。目前已開發利用的TiC顆粒、SiC顆粒或晶須、ZrO2相變等多種增韌方法，雖然取得了較好的增韌效果，但均有不同程度的缺陷。碳納米管(簡寫為CNTs)以來，因其具有超高彈性模量、超高拉伸強度、高彎曲強度，及高的韌性，而且在失效前能承受很大的應變，已成為短纖維增韌的首選。研究發現，CNTs的引入能不同程度的增強增韌氧化鋁陶瓷。但CNTs由于比表面積大，表面能高，碳管之間往往以較強的范德華力團聚在一起，尤其是有機物催化裂解法制備的CNTs經常彎曲纏繞在一起，這將會減小CNTs的長徑比，影響CNTs增強復合材料的增強效果。氧化鋁離子鍵較強，從而導致其質點擴散系數低、燒結溫度較高(超過1700°C )。如此高的燒結溫度將促使晶粒長大，殘余氣孔聚集長大，導致材料力學性能降低，同時也造成材料氣密性差。因此，降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度，降低能耗，縮短燒成周期，從而降低生產成本。因此，常引入一些添加劑來降低其燒結溫度，然而，傳統的添加劑引入方式一般直接加入配好的添加劑濕混球磨，這種方法容易產生添加劑分布不均勻的現象；同時還會導致CNTs折斷和粗化。由于氧化鋁的熔點高，工業上制備全致密的碳化硅陶瓷常常采用無壓或加壓燒結，所使用的燒結溫度通常較高(超過1700°C )，高溫保溫時間較長(超過30min)，導致晶粒劇烈長大，并阻礙氣孔的排除。CNTs和添加劑的分布不均勻，以及氣孔的存在導致氧化鋁陶瓷的綜合力學性能(如硬度、強度及斷裂韌性)大幅下降。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供了一種高韌性氧化鋁陶瓷及其制備方法與應用。本專利技術的上述目的是采用如下技術方案于以實現的 一種高韌性氧化鋁陶瓷，其特征在于它由Al (OH)3粉體、Y(NO3)3粉體和經預處理的碳納米管按摩爾比為Al(OH)3 =Y(NO3)3 CNTs = 80 120 :0. 9 I. I :9 11投料制備而成。所述的高韌性氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于該方法步驟如下 a) CNTs預處理 配制體積比為3 :1的H2S04/HN03混酸溶液，將一定質量的CNTs置入到混酸溶液中超聲處理至CNTs在混酸中呈粘稠狀黑色，將混酸溶液稀釋后，抽濾，洗滌CNTs至pH = 7，烘干后，置入質量百分濃度3-8%的聚乙烯醇中進行超聲分散后，脫溶，烘干后得到預處理的CNTs ；b)制備具有“殼-核”復合結構的納米粉體將按摩爾比為 Al(OH)3 =Y(NO3)3 CNTs = 80 120 :0. 9 I. I :9 11 稱取的 Al(OH)3粉體、Y (NO3) 3粉體和經預處理的碳納米管溶于乙醇中，并加入分散劑，超聲振蕩使分散均勻的懸濁液；然后在不斷攪拌的條件下，向上述懸濁液中以I 5 /min的速率滴加弱堿性溶液，以形成添加劑離子的沉淀，使沉淀物以氧化鋁顆粒和碳納米管為形核中心形成異質形核沉淀，當PH值為8 9時停止滴加弱堿性溶液，繼續攪拌I 3h，以使得沉淀反應均勻充分；再將得到的懸濁液經過濾、醇洗、烘干，得到A1203、Y203和碳納米管的納米混合粉體； c)放電等離子燒結 把所得混合粉體裝入直徑為20_的石墨模具中，然后放入放電等離子燒結爐中進行分段加壓燒結，首先，在30MPa的壓力下，隨爐升溫到600°C，然后，以150 V /min的升溫速度升溫到1150°C，此時，升高壓力到60MPa，并在Imin內升溫到1200°C ;最后在該溫度保溫3分鐘后停止加熱并隨爐冷卻； d)雙面拋光處理 燒結的陶瓷片經雙面拋光處理，得到高韌性的氧化鋁陶瓷。優選的，所述Al (OH) 3粉體與Y (NO3) 3粉體優選高純超細活性的粉體，平均粒徑為亞微米級，純度彡99. 9%。優選的，所述分散劑為正丁醇、異丙醇或分子量為400 2000的聚乙二醇；所述分散劑的加入量為Al (OH)3粉體的0. 33 I. 3wt%0優選的，所述的弱堿性溶液為有機胺類、尿素、氨水、乙醇鈉或乙酸鈉中的一種或幾種配制的溶液。優選的，步驟a)中所述的CNTs預處理工藝為配制體積比為3 :1的H2S04/HN03混酸溶液，將一定質量的碳納米管置入到混酸溶液中，在30°C下超聲處理24h后，CNTs在混酸中呈粘稠狀黑色，將混酸溶液稀釋后，抽濾，用二次蒸餾水洗滌CNTs至pH = 7，60°C烘干后，置入質量百分濃度3 8%的聚乙烯醇中進行超聲分散6 24小時后，脫溶，60°C烘干后得到預處理的CNTs。本專利技術還公開了上述方法制備的高韌性氧化鋁陶瓷的在陶瓷軸承制品方面的應用。為了克服直接混合CNTs、氧化鋁粉和添加劑的方法帶來的不足，本專利技術采用氫氧化鋁為起始原料，燒結助劑Y2O3以Y(NO3)3的形式加入，以經濃H2SOJP HNO3 (3 1)預處理后的CNTs為增韌劑，將(Al (OH) 3粉體、Y (NO3) 3粉體和預處理后的CNTs按比例溶于乙醇中，并加入分散劑超聲振蕩使分散均勻的懸濁液；然后在不斷攪拌下滴加弱堿性溶液，以形成添加劑離子的沉淀，使沉淀物以氧化鋁顆粒和碳納米管為形核中心形成異質形核沉淀，形成具有“殼-核”復合結構的納米粉體；再將得到的懸濁液經過濾、醇洗、烘干，得到A1203、Y203和CNTs的納米混合粉體；為了克服納米晶粒在較高的燒結溫度下長大的問題，經放電等離子燒結、雙面拋光處理，得到高韌性的氧化鋁陶瓷。本專利技術的有益效果本專利技術采用化學異質形核沉淀的方法引入添加劑，使添加劑離子以氧化鋁粉和CNTs為異質形核中心，均勻地包覆在氧化鋁粉體表面，形成具有“殼-核”復合結構的納米粉體，添加劑包覆在氧化鋁粉體和CNTs的表面形成納米級包覆層，燒結后最終在納米尺度上均勻分散于氧化鋁基體中，達到了對晶粒生長很好的抑制效果。本專利技術將CNTs采用濃H2S04/HN03混合溶液酸處理和超聲處理，可以將CNTs完全分散開，使其更加均勻分散在氧化鋁基體中，且與基體界面相容性良好。最后在燒結過程中，采用了 SPS分段加壓燒結，燒結溫度低，且高溫保溫時間短，有效的抑制了晶粒的長大和CNTs的性能退化，SPS燒結具備工藝簡單、升溫速度快、燒結時間短，能耗低以及所制備的燒結樣品晶粒均勻細小、致密度高、力學性能好等優點。本專利技術成功的解決了 CNTs與Al2O3和Y2O3陶瓷粉末作為燒結助劑直接球磨難以按比例混合均勻的問題，而且解決了普通的無壓燒結和加壓燒結中由于燒結溫度高、高溫保溫時間長等導致的晶粒長大和CNTs性能退化問題，最終制備出添加劑顯微結構更加細小均勻，硬度高、韌性好的CNTs摻雜的氧化鋁陶瓷。所制的氧化鋁陶瓷硬度為21 ±0. 5GPa，韌性為6. 5±0. 2MPa1/2。附圖說明圖I為實施例2氧化鋁陶瓷SPS分段加壓燒結曲線； 圖2為實施例2制備的氧化本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種高韌性氧化鋁陶瓷，其特征在于它由Al (OH)3粉體、Y(NO3)3粉體和經預處理的碳納米管按摩爾比為Al(OH)3 =Y(NO3)3 CNTs = 80 120 :0. 9 I. I :9 11投料制備而成。2.根據權利要求I所述的高韌性氧化鋁陶瓷的制備方法，其特征在于該方法步驟如下 a)CNTs預處理 配制體積比為3 :1的H2S04/HN03混酸溶液，將一定質量的CNTs置入到混酸溶液中超聲處理至CNTs在混酸中呈粘稠狀黒色，將混酸溶液稀釋后，抽濾，洗滌CNTs至pH = 7，烘干后，置入質量百分濃度3-8%的聚こ烯醇中進行超聲分散后，脫溶，烘干后得到預處理的CNTs ； b)制備具有“売-核”復合結構的納米粉體將按摩爾比為 Al(OH)3 =Y(NO3)3 =CNTs = 80 120 :0· 9 I. I :9 11 稱取的 Al(OH)3粉體、Y(NO3)3粉體和經預處理的碳納米管溶于こ醇中，并加入分散劑，超聲振蕩使分散均勻的懸濁液；然后在不斷攪拌的條件下，向上述懸濁液中以I 5 mL/min的速率滴加弱堿性溶液，以形成添加劑離子的沉淀，使沉淀物以氧化鋁顆粒和碳納米管為形核中心形成異質形核沉淀，當PH值為8 9時停止滴加弱堿性溶液，繼續攪拌I 3h，以使得沉淀反應均勻充分；再將得到的懸濁液經過濾、醇洗、烘干，得到A1203、Y203和CNTs的納米混合粉體； c)放電等離子燒結 把所得混合粉體裝入直徑為20_的石墨模具中，然后放入放電等離子燒結爐中進行分段加壓燒結，首先...

【專利技術屬性】
技術研發人員：易劍，薛偉江，謝志鵬，高玉新，程虎，王蕾，
申請(專利權)人：臺州學院，
類型：發明
國別省市：