专利名称：改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷技术领域，更详细地是改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法。
背景技术：
陶瓷材料具有类似于金属的强度和比金属更为优越的耐磨性、耐高温性以及化学稳定性，可用于一般金属材料难以胜任的严酷环境，如高温、强腐蚀环境。另外，由陶瓷制成的机件重量轻，隔热性好，对提高能源利用效率具有重要意义。但由于其内在结构的原因，陶瓷材料脆性大，对内部缺陷敏感，裂纹一经产生往往就迅速扩展，使材料呈现无预兆灾难性的突然断裂。由此，陶瓷部件与金属部件相比可靠性较差，这已成为影响陶瓷材料推广应用的瓶颈。提高陶瓷材料的韧性是陶瓷材料尤其是结构陶瓷材料研究的中心问题。
纳米科学和技术的发展给陶瓷材料的增韧甚至于获得超塑性带来了新的希望。若陶瓷材料的晶粒较大，则大颗粒容易成为应力集中的位置，并为孔洞的成核提供了主要的位置。当晶粒的尺寸达到纳米量级时，材料的界面所占的比例将大大提高，大体积的界面区将提供足够的晶界滑移机会，导致变形增加。因此，陶瓷晶粒尺寸的减小是获取超强超韧的有效途径。
纳米复相陶瓷可分为三大类内晶型纳米复相陶瓷、晶界型纳米复相陶瓷、纳米—纳米复相陶瓷。前二者为纳米—微米复合结构，实际上是一种纳米粒子增强微米基体的复合材料，由于基体的约束和隔离，纳米粒子在烧结时不容易长大，材料制备工艺相对简单。纳米—纳米复相陶瓷的基体和第二相晶粒都要保持在纳米尺度，由于纳米颗粒的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，既有利于达到高致密度又极易发生晶粒快速生长，因而在最终将微结构控制在纳米量级是非常困难。
纳米复相陶瓷的制备方法有如下几类1.粉体混合法。将纳米颗粒与基质原料混合，由于纳米颗粒尺寸细小，比表面积巨大，极易团聚，故用传统的球磨法难以将粉体混合均匀。CesaranoJH等将基质粉末和纳米粉末制成具有良好分散性的悬浮液，经絮凝、干燥，得到复合粉体，成型、烧结后制成纳米—微米复相陶瓷。(Cesarano J H，AksayI A.Processing of concentrated aqueous α-Al2O3 suspensionsstabilized with polyelectrolyte.J Am Ceram Soc.1998.70(12)1062)2.复合粉体法。用物理和/或化学的方法直接制备两种或多种组分的纳米复合粉体，经反应烧结获得纳米—微米复相陶瓷。如用化学气相沉积法制备稳定的、分布均匀的Si-C-N复合粉体，粒径为50纳米，经反应烧结得到SiC-Si3N4纳米—微米复相陶瓷。(新原皓一等，高温超强度Si3N4-SiC复合材料，粉体けよひ粉末冶金，1990，37(2)352-356)又如Bhaduri等人采用燃烧合成的技术合成Al2O3/ZrO2纳米复合粉体，Al2O3和ZrO2粒径分别为35nm和30nm。经冷等静压成型、热等静压烧结，获得的纳米-纳米复相陶瓷。(S.Bhaduri，S.B.Bhaduri，and E.Zhou.J.Mater.Res.，1998，13(1)156)3.反应烧结法。先将混合均匀的多组分粉末压成素坯，在随后的烧结过程中各组分之间或组分与烧结气氛之间发生化学反应，获得预期设计的纳米复相陶瓷。如将微米级的Al2O3-SiC混合粉体压实后烧结，部分SiC粒子表层反应生成SiO2，使SiC的颗粒缩小为纳米级，SiO2又与Al2O3反应生成莫来石，得到纳米—微米复相陶瓷。(Sakky Y，Bidmger D D.，Aksay I A.Processingof silicon carbide-mullite-alumina nanocomposite.J.Am.Ceram.Soc.1995.78(2)486)4.溶胶—凝胶法。溶胶—凝胶的基本过程是将前驱体溶于溶剂中形成组分均匀分布溶液，经水解(或醇解)缩聚成1nm左右的溶胶粒子，溶胶粒子进一步缩聚形成凝胶。凝胶经干燥、煅烧后得到纳米粒子，可制备陶瓷材料。如Isamu Moriguchi等人以Tetrabutoxytitanium(TBT)和Tetrebutoxyzirconium(TBZ)为无机前驱体，以n-octadecylaceoacetate(C18AA)为两性螯合剂，分别制备了组分为TBT-C18AA和TBZ-C18AA、厚度为纳米量级凝胶薄膜，将两种薄膜依次相间迭铺，经过煅烧，脱除其中的水分和有机组分，凝胶层分别变为TiO2层和ZrO2层，每层的厚度甚至可控制在1nm以下。(Isamu M，Yoshihiro T，Yasutake T，and Shuichi K.Adv.Mater.，1999，11(12)997)。
上述方法均有不足，由于粉体颗粒细小，比表面积大，表面能巨大，在配料过程中纳米粉体易团聚，导致材料成分分布不均匀；由于排气困难，素坯难以成型；烧结时晶粒易长大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有方法的不足，提供一种改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法。解决配料过程中颗粒团聚、成型过程中由于颗粒细小素坯难以成型和烧结过程中纳米晶粒极易长大问题。
本发明的技术方案是——通过化学组装将组分组装进入具有离子交换能力的层状结构材料晶格内部，得到改性层状结构粉体；——所述改性层状结构粉体成型、烧结得到纳米—纳米复相陶瓷。或
——将所述改性层状结构粉体掺入普通的陶瓷粉体中，经成型、烧结得到纳米复相陶瓷所述改性层状结构粉体粒径无需在纳米量级。
以该改性层状结构粉体为主体，经成型，在烧结过程中，改性层状结构粉体的各层及层间组分分别原位反应生成新矿物，主晶相限制层间相的发展空间，层间相的形成阻止主晶相晶粒的长大，得到纳米—纳米复相陶瓷。
将改性层状结构粉体掺入普通的陶瓷粉体中，原基质材料形成一般的微米结构，改性层状结构粉体形成纳米结构，可得到纳米—微米复相陶瓷。
所述组分是改性离子，包括Al、Zr、Fe、Mn、或Lr水解得到的聚羟基金属络离子。
所述具有离子交换能力的层状结构材料是指晶体结构呈层状特征且层间离子具有交换能力的材料，如蒙脱石、高岭石、云母、蛭石、伊利石、或叶腊石等。
本发明与现有方法的比较具有如下优点1. 本发明无需事先制备纳米粉体，通过将组分组装进入层状结构材料晶格内而获得改性层状结构粉体，粉体的粒径无需在纳米尺度。
2. 本发明通过烧结过程中的原位反应形成纳米颗粒，由于层状结构的限制，纳米颗粒不能长大，解决料纳米陶瓷制备过程中纳米晶粒极易长大的难题。
具体实施例方式实施例1将AlCl3水解、聚合，制备聚羟基铝离子，[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+离子，利用层状蒙脱石的离子交换能力，经搅拌，将聚羟基铝离子插入蒙脱石层间，制备改性层状结构粉体。将改性粉体成型，然后在1100℃下烧结制成陶瓷。经分析测试，陶瓷材料的矿物组成为莫来石、镁铝尖晶石，莫来石的平均粒径为13纳米，镁铝尖晶石的平均粒径为8.6纳米。纳米—纳米复相陶瓷的强度、耐磨性、韧性等力学性能均有较大幅度的提高。
实施例2将上述改性层状结构粉体与普通的陶瓷原料混合，经成型、在1100℃烧结，制成陶瓷。经测试，陶瓷材料的主晶相粒径约10微米，在主晶相之间，均匀分散着直径约50纳米的柱状晶体，为纳米—微米复相陶瓷。材料的韧性有较大幅度的提高。
权利要求
1.一种改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法，其特征在于包括——通过化学组装将组分组装进入具有离子交换能力的层状结构材料晶格内部，得到改性层状结构粉体；——所述改性层状结构粉体成型、烧结得到纳米—纳米复相陶瓷，或——所述改性层状结构粉体掺入普通的陶瓷粉体中，经成型、烧结得到纳米复相陶瓷。
2.根据权利要求1所述的改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法，其特征在于所述的组分是Al、Zr、Fe、Mn、或Lr水解得到的聚羟基金属络离子。
3.根据权利要求1或2所述的改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法，其特征在于所述具有离子交换能力的层状结构材料是指晶体结构呈层状特征且层间离子具有交换能力的材料。
4.根据权利要求1所述的改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法，其特征在于所述具有离子交换能力的层状结构材料是蒙脱石、高岭石、云母、蛭石、伊利石、或叶腊石。
5.权利要求1所述的方法制备的纳米复相陶瓷。
全文摘要
一种改性层状结构粉体制备纳米复相陶瓷的方法，包括通过化学组装将组分组装进入具有离子交换能力的层状结构材料晶格内部，得到改性层状结构粉体；所述改性层状结构粉体成型、烧结得到纳米—纳米复相陶瓷，或所述改性层状结构粉体掺入普通的陶瓷粉体中，经成型、烧结得到纳米复相陶瓷；本发明解决了配料过程中颗粒团聚、成型过程中由于颗粒细小素坯难以成型和烧结过程中纳米晶粒极易长大问题。
文档编号C04B35/622GK1397515SQ0211539
公开日2003年2月19日 申请日期2002年6月18日 优先权日2002年6月18日
发明者张志杰, 苏达根 申请人:华南理工大学