一种超重力技术制备氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷材料制备技术领域。更具体地，涉及一种氧化铝-氧化锆复合陶 瓷粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 氧化铝（A1203)陶瓷是目前应用最为广泛的陶瓷之一。与其它材料相比，它具有 许多优良的特性，比如高熔点（2015°C)、高强度，高的化学稳定性和接点介电性能，电绝缘 性好，硬度高（莫氏硬度为9)，耐磨性好，且成本低廉，因此氧化铝的用途十分广泛。包括 汽车、飞机、宇宙飞船等机械部件的应用。然而在钻头，医疗用具，人工关节、人工牙齿之类 的生物材料部件等的领域中，氧化铝陶瓷因为脆性等原因不能够满足部件的要求，需要开 发出具有高强度、高韧性、高硬度、耐磨损、耐热和耐腐蚀等性能更加优异的陶瓷。作为这种 陶瓷材料的有力候补之一，氧化锆-氧化铝纳米复合陶瓷材料成为研究的热点，是航天、航 空、医用等领域的优选材料。
[0003] 1975年Garvie等人在《Nature》杂志上发表"陶瓷钢"，首次发现通过在氧化铝基 材料中引入第二相弥散氧化锆颗粒，可以使复合材料的抗弯强度和断裂韧性可以得到显著 提高。近年来，随着纳米复合陶瓷技术的发展，氧化铝-氧化锆复合陶瓷的研究成为陶瓷领 域的一大热点。
[0004] 常压下，氧化锆具有三种晶体形态，分别为单斜相（monoclinic)、四方相 (tetragonal)和立方相（cubic)。这三种相态可以在不同的温度下相互转化，其关系可以 表示为：
[0005]
[0006] 其中四方相向单斜相的转变伴随着有约5%的体积膨胀和约8%的剪切应变。在 裂纹尖端应力场的作用下，在基体中被约束的亚稳定四方相氧化锆晶粒在扩展的裂纹解除 这一约束时能引起转变为单斜相的相变，吸收相变能，同时剪切应力能阻挡裂纹的张开，马 氏体相变的体积膨胀弥合裂纹，从而增加陶瓷抵抗裂纹的扩展，即增加了陶瓷的韧性。到目 前为止，氧化铝-氧化锆复合陶瓷中的增韧机制均与这一相转变有关，分别为应力诱导相 变增韧、微裂纹增韧以及裂纹偏转增韧。各种晶型可以通过XRD测得。从提高陶瓷材料力 学性能角度出发，人们希望其中的氧化锆尽可能多地以t-Zr02形式存在。
[0007] 氧化铝-氧化锆复合陶瓷的性能主要由其在烧结过程中形成的显微结构来决 定，而显微结构又主要由原料的粉体状态来决定，所以有目的的进行粉体制备和粉体性 能调控、处理，制备优质的Al203/Zr02复合粉体是制备性能优异的ZTA陶瓷的前提。制 备复合粉体有很多方法，一般有机械混合法、气相沉淀法、溶胶-凝胶法，水热合成法以 及共沉淀法°M.Jalilpour(Effectofagingtimeandcalcinationtemperature ontheceriumoxidenanoparticlessynthesisviareverseco-precipitation method,InternationalJournalofthePhysicalSciences,7(2012))以及 S.A.Hassanzadeh-Tabrizi(S.A.Hassanzadeh-Tabrizi,M.Mazaheri,M.Aminzare,S. K.Sadrnezhaad,ReverseprecipitationsynthesisandcharacterizationofCe02 nanopowderJournalofAlloysandCompounds, 491 (2010) 499-502)等多人的研究结果表 明共沉淀法因原材料来源广泛和价格便宜，使用设备常规以及简便的合成路线、低的生产 成本和可控的粉体形貌等特征成为制备氧化铝-氧化锆粉体最理想的方法。
[0008] 但从文献（J.Vrolijk,J.Willems,Sol-gelsynthesisforpreparationof yttriumaluminumgarnet,Euro-Ceramics, 1pp. 1.104-8)可知，传统反应器由于传质 较弱易造成氧化铝前驱体和氧化锆前驱体分散不均匀和团聚现象。根据中国专利（CN 1837059A)可知，当不同组分沉淀条件的pH值相差较大时（Zr开始沉淀pH为4~5，A1开 始沉淀pH为7~8)，往往不利于各组分沉淀完全，易造成组分流失。
[0009] 另外，根据文献（N.Saito,S. _i.Matsuda，T.Ikegami，Fabricationof TransparentYttriaCeramicsatLowTemperatureUsingCarbonate-Derived Powder,JournaloftheAmericanCeramicSociety, 812023-2028)和文献（J. -G.Li,T. Ikegami,J. -H.Lee,T.Mori,Y.Yajima,Co-precipitationsynthesisandsinteringof yttriumaluminumgarnet(YAG)powders:theeffectofprecipitant,Journalofthe EuropeanCeramicSociety, 202395-2405)可知通常所使用的共沉淀法要求滴定速度越 慢越好，以求可以使生成的氢氧化铝和氢氧化锆沉淀能够混合均匀，一般要求滴定速度在 3ml/min以下，难以放大生产。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是提供一种氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的制备方法， 该方法克服了常规方法存在的组分分布不均匀以及团聚问题，提供了一种产物均匀性好， 制备周期短，收率高，工艺过程简单的技术；同时该方法还克服了由于锆离子和铝离子沉淀 所需pH相差过大所引起的组分沉淀不完全和原料流失问题；还克服了传统反应器反应时 对滴定速率限制的弊端。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[0012] -种超重力技术制备氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体的方法，其特征在于，该方法 包括：
[0013] (1)将反应物溶液与沉淀剂溶液在旋转床超重力反应器中混合，反应得到前驱 体；
[0014] (2)将前驱体洗涤、干燥、煅烧得到氧化铝-氧化锆复合陶瓷粉体；
[0015] 其中，步骤（1)所述反应物为铝盐和锆盐，所述沉淀剂选自NH3 ·H20、NH4HC03或 (NH4)2C03,其中所述超重力是指反应器离心加速度大于重力加速度。
[0016] 优选地，所述铝盐选自NH4A1(S04)2、A1(N03)3或A1C13或它们的结晶水合物，所述 锆盐选自ZrOCl2或Zr(N03)4或它们的结晶水合物。
[0017] 在优选的实施方案中，所述反应物溶液还可包括选自￥^03)3、0 &(：12或1%(：12的至 少一种其它盐类。所述￥^0 3)3工&(：12或1%(：12相对于铝盐和锆盐之和的重量比可以为1~ 10%〇
[0018] 优选地，所述沉淀剂选自NH3 ·H20、NH4HC03和（NH4) 2C03中的至少一种。
[0019] 优选地，在步骤（1)中将分散剂加入反应物溶液或沉淀剂溶液中，所述分散剂选 自聚乙二醇（缩写为PEG)、聚丙烯酸盐（缩写为PAA)或聚丙烯酰胺（缩写为PAM)。
[0020] 优选地，步骤⑴所述沉淀剂与所述反应物溶液中的总反应物的摩尔比为 1:10-10:1。
[0021] 优选地，步骤（1)中旋转床超重力反应器的离心加速度为lg~l〇〇g;步骤（1)中 的反应温度在10-90°C，步骤（2)中的煅烧温度为500-1000°C。
[0022] 优选地，反应物溶液的进料速率为l_2000mL/min，沉淀剂溶液的进料速率为 l-2000mL/min，沉淀剂溶液与反应物溶液进料速率比为10:1-1:10。
[0023] 超重力技术具有以下优点：传质强度高，可大大减小设备体积；微观混合得到极 大的强化；停留时间短；不怕振动和倾斜；持液量小开停车容易；可在几分钟内达到稳定操 作等。
[0024] 从晶体的生长原理可以知道，晶体的生长分为晶体的成核和晶核的长大，传统反 应器因为传质速率小难以使成核的氢氧化铝和氢氧化锆分散均匀，致使晶体有足够的时间 完成核长大这一步骤，因此产生团聚和分散不均匀的现象。而本发明采用超重力技术可以 使氢氧化铝沉淀和氢氧化锆沉淀分散的更加均匀，减少团聚现象。
[0025] 采用超重力技术可以将相互反应的溶液以很小的液滴形式接触，这样大大增加了 铝离子和锆离子与沉淀剂的接触面积，从而使两种离子完全沉淀，克服了锆离子和铝离子 因为沉淀所需pH相差过大引起的组分沉淀不完全和原料流失问题。
[0026] 旋转床超重力反应器能够使反应液体在超重力的环境中反应，进液量是传统反应 器的1000倍以上，完全可以满足大规模的生产需要，克服了传统反应器反应时对滴定速率 限制的弊端。
[0027] 本发明的方法制得的氧化铝-氧化锆二元复合陶瓷粉体的组成通常为5~95wt% 的氧化锆和5~95wt%的氧化铝。在加入其它元素的盐的情况下，本发明制备的粉体可以 是氧化铝-氧化锆-其它元素氧化物的多元复合陶瓷粉体，其组成通常为30~92wt%的氧 化铝，5~50wt%的氧化锆和3~20wt%的其它氧化物。