一种氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.氧化铝陶瓷材料具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等特点，已广泛应用于机械、冶金、化工、医疗等各个领域，但其韧性较低，不仅影响使用寿命还限制了应用范围。
3.目前，氧化铝陶瓷材料的增韧主要是在氧化铝陶瓷材料中添加稀土氧化物，例如南京工业大学姚义俊等研究了稀土氧化物对氧化铝陶瓷性能的影响后认为，稀土氧化物的加入不仅降低了氧化铝陶瓷的烧结温度，还使得韧性得到了提高；再例如佳木斯大学张敬强等研究了稀土氧化物对陶瓷纤维结构和力学性能影响后认为，稀土氧化物的加入对材料显微结构和力学性能有较大的影响，增韧机制主要是裂纹桥联、分叉、偏转以及裂纹尖端的桥联和断裂过程中的晶粒拔出机制带来的增韧效应，其断裂韧性得到很大的提高。但是随着对氧化铝陶瓷材料使用环境的要求逐渐严苛，对于韧性的要求也越来越高，因此，提供具有高韧性的氧化铝陶瓷材料成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料具备高韧性。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种氧化铝陶瓷复合材料，由包括以下质量百分比的原料制备得到：72～97.9％氧化铝、0.1～5％石墨烯、1～10％氧化锆、0.5～3％烧结助剂和0.5～10％粘结剂。
7.优选地，由包括以下质量百分比的原料制备得到：75～95％氧化铝、0.5～4％石墨烯、3.5～8％氧化锆、0.5～3％烧结助剂和0.5～10％粘结剂。
8.优选地，由包括以下质量百分比的原料制备得到：80～90％氧化铝、1～2％石墨烯、4.5～6％氧化锆、1～2％烧结助剂和3.5～10％粘结剂。
9.优选地，所述氧化铝的粒径为100nm～3μm。
10.优选地，所述烧结助剂包括氧化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化镧和二氧化钛中的至少一种。
11.优选地，所述粘结剂包括pva和/或pvb。
12.本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；
14.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和烧结，得到氧化铝陶瓷复合材
料。
15.优选地，所述步骤(1)中球磨的转速为400～500r/min，球磨的时间为1～1.5h。
16.优选地，所述步骤(2)中烧结的温度为1200～1500℃，烧结的时间为30～120min。
17.本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝陶瓷复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化铝陶瓷复合材料在陶瓷过滤板中的应用。
18.本发明提供了一种氧化铝陶瓷复合材料，由包括以下质量百分比的原料制备得到：72～97.9％氧化铝、0.1～5％石墨烯、1～10％氧化锆、0.5～3％烧结助剂和0.5～10％粘结剂。本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料以氧化铝为基体，通过调整含量，使得石墨烯和氧化锆起到协同增韧的效果，从而提高了氧化铝陶瓷材料的韧性。实验结果表明，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的抗弯强度为648～728mpa，断裂韧性为6.0～7.6mpa
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具体实施方式
19.本发明提供了一种氧化铝陶瓷复合材料，由包括以下质量百分比的原料制备得到：72～97.9％氧化铝、0.1～5％石墨烯、1～10％氧化锆、0.5～3％烧结助剂和0.5～10％粘结剂。
20.以质量百分比计，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的原料包括72～97.9％氧化铝，优选为75～95％，进一步优选为80～90％，更优选为85％。在本发明中，所述氧化铝的粒径优选为100nm～3μm，更优选为1～2μm。本发明对所述氧化铝的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述氧化铝为复合材料的基体。
21.以质量百分比计，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的原料还包括0.1～5％石墨烯，优选为0.5～4％，进一步优选为1～2％，更优选为1.5％。在本发明中，所述石墨烯的厚度优选为1～5nm；所述石墨烯的直径优选为5～10μm。本发明对所述石墨烯的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述石墨烯能够与氧化锆协同增韧，从而提高氧化铝陶瓷复合材料的韧性。
22.以质量百分比计，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的原料还包括1～10％氧化锆，优选为3.5～8％，进一步优选为4.5～6％，更优选为5～5.5％。在本发明中，所述氧化锆的粒径优选为80nm～1μm。本发明对所述氧化锆的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述氧化铝能够与石墨烯协同增韧，从而提高氧化铝陶瓷复合材料的韧性。
23.以质量百分比计，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的原料还包括0.5～3％烧结助剂，优选为1～2％，更优选为1.5％。在本发明中，所述烧结助剂优选包括氧化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化镧和二氧化钛中的至少一种，更优选为氧化镧；所述烧结助剂的粒度优选大于600目。本发明对所述烧结助剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述烧结助剂不仅能够降低烧结温度，还能够进一步提高氧化铝陶瓷复合材料的韧性。
24.以质量百分比计，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料的原料还包括0.5～10％粘结剂，优选为3.5～10％，更优选为5～8％。在本发明中，所述粘结剂优选包括pva和/或pvb。本发明对所述粘结剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述粘结剂起到粘结作用。
25.本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料以氧化铝为基体，通过调整含量，使得石墨烯和氧化锆起到协同增韧的效果，从而提高了氧化铝陶瓷材料的韧性。
26.本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
27.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；
28.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料。
29.本发明将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料。
30.本发明对所述氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。
31.在本发明中，所述球磨优选在球磨机中进行，所述球磨的转速优选为400～500r/min；所述球磨的时间优选为1～1.5h，更优选为1.2～1.3h。本发明对所述球磨机的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的球磨机即可。本发明通过控制球磨的转速和时间能够实现原料的均匀分散。
32.得到混合物料后，本发明将所述混合物料依次进行压制和烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料。
33.在本发明中，所述压制优选包括滚压成型、等静压成型和轴压成型中的一种；所述压制的压力优选为100～500mpa，更优选为200～300mpa；所述压制的时间优选为1～5min，更优选为2～3min。
34.在本发明中，所述烧结的温度优选为1200～1500℃，更优选为1300～1400℃；所述烧结的时间优选为30～120min，进一步优选为60～100min，更优选为80～90min。在本发明中，所述烧结能够提高压制坯体的致密度，从而提高复合材料的机械性能。
35.在本发明中，所述烧结优选采用真空烧结；所述真空烧结的真空度优选不高于3
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36.本发明提供的制备方法工艺简单，适用于工业化生产。
37.本发明还提供了上述技术方案所述氧化铝陶瓷复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化铝陶瓷复合材料在陶瓷过滤板中的应用。本发明对所述氧化铝陶瓷复合材料在陶瓷过滤板中的应用操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的应用操作即可。
38.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1
40.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：97.9％氧化铝、0.1％石墨烯、1％氧化锆、0.5％烧结助剂和0.5％粘结剂；
41.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的
粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
42.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
43.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
44.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间为100min；真空烧结的真空度为3
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45.实施例2
46.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：95％氧化铝、0.5％石墨烯、3.5％氧化锆、0.5％烧结助剂和0.5％粘结剂；
47.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
48.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
49.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
50.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间为100min；真空烧结的真空度为3
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51.实施例3
52.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：90％氧化铝、1％石墨烯、4.5％氧化锆、1％烧结助剂和3.5％粘结剂；
53.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
54.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
55.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
56.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间为100min；真空烧结的真空度为3
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57.实施例4
58.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：80％氧化铝、2％石墨烯、6％氧化锆、2％烧结助剂和10％粘结剂；
59.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
60.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
61.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
62.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间
为100min；真空烧结的真空度为3
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63.实施例5
64.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：75％氧化铝、4％石墨烯、8％氧化锆、3％烧结助剂和10％粘结剂；
65.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
66.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
67.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
68.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间为100min；真空烧结的真空度为3
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69.实施例6
70.氧化铝陶瓷复合材料，由以下质量百分比的原料制备得到：72％氧化铝、5％石墨烯、10％氧化锆、3％烧结助剂和10％粘结剂；
71.其中，氧化铝的粒径为1～2μm；石墨烯的厚度为1～5nm，直径为5～10μm；氧化锆的粒径为80nm；烧结助剂为氧化镧，粒度为1000目；粘结剂为pvb；
72.所述氧化铝陶瓷复合材料的制备方法为以下步骤：
73.(1)将氧化铝、石墨烯、氧化锆、烧结助剂和粘结剂混合后进行球磨，得到混合物料；其中，球磨的转速为400r/min，时间为1.5h；
74.(2)将所述步骤(1)得到的混合物料依次进行压制和真空烧结，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，压制为等静压成型，压力为200mpa，时间为5min；烧结的温度为1200℃，时间为100min；真空烧结的真空度为3
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75.对比例1
76.在实施例1的基础上改变氧化铝陶瓷复合材料的原料组成，其他条件不变，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，氧化铝陶瓷复合材料由以下质量百分比的原料制备得到：97.9％氧化铝、1.1％石墨烯、0.5％烧结助剂和0.5％粘结剂。
77.对比例2
78.在实施例1的基础上改变氧化铝陶瓷复合材料的原料组成，其他条件不变，得到氧化铝陶瓷复合材料；其中，氧化铝陶瓷复合材料由以下质量百分比的原料制备得到：97.9％氧化铝、1.1％氧化锆、0.5％烧结助剂和0.5％粘结剂。
79.将实施例1～6以及对比例1～2制备的氧化铝陶瓷复合材料进行性能测试，结果如表1所示。
80.表1实施例1～6以及对比例1～2制备得到的氧化铝陶瓷复合材料的性能数据
81.[0082][0083]
从表1的实施例1以及对比例1和2可以看出，本发明中石墨烯与氧化锆能够协同提高氧化铝陶瓷复合材料的韧性。
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从表1还可以看出，随着石墨烯和氧化锆含量的增加，氧化铝陶瓷复合材料的韧性逐渐增加。
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从以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的氧化铝陶瓷复合材料具备高韧性。
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以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。