专利名称：高强度氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度的氧化铝/氧化锆/铝酸镧(Al2O3/ZrO2(2Y)/LaAl11O18)复相陶瓷及制备方法，属于精细化工领域。
背景技术：
氧化铝(Al2O3)陶瓷原料来源丰富，具有硬度高、化学稳定性好、抗高温、耐磨、耐腐蚀和绝缘性能好等优良特点，是目前在工业领域中得到最为广泛应用的陶瓷材料，被广泛应用于冶金、机械、汽车、电子、化工和航空航天等领域。但氧化铝陶瓷力学性能较差，这使得它作为结构部件在应用上受到限制。通过在氧化铝陶瓷中引入多种增韧补强剂来提高材料的力学性能，被认为是目前改善氧化铝陶瓷力学性能的最为有效的方法之一。单相氧化铝陶瓷的强度和韧性通常分别在400MPa-500MPa和3～4MPa.m1/2左右，而研究发现含5vol％SiC纳米颗粒和20vol％3Y-TZP的氧化铝陶瓷的强度和韧性分别高达1700MPa和6Mpa.m1/2；含4wt％TiC纳米颗粒和20wt％SiC晶须的氧化铝陶瓷的强度和韧性分别为1200MPa和7.5MPa.m1/2。虽然上面所列举的氧化铝复相陶瓷相对于单相氧化铝陶瓷在力学性能上有大幅度的改善，但上述材料中往往存在着纳米颗粒和晶须在氧化铝基体中难以均匀分散，并且瓷体烧结温度高的缺点，不利于实现工业化大批量生产。另外，在氧化铝陶瓷中引入板状颗粒(如板状碳化硅或板状稀土铝酸盐颗粒)虽然也可以提高材料的力学性能，但同样存在着瓷体难烧结的问题。
本发明的目的在于提供一种可低温烧结的高强度Al2O3/ZrO2(2Y)/LaAl11O18复相陶瓷及制备方法。在该方法中LaAl11O18板状颗粒是通过原位反应生成的，从而消除了通常情况下在瓷体中引入板状颗粒对材料烧结的不利影响。另外，该方法以廉价的工业α-Al2O3和Al、Zr、Y、La的无机盐为原料，材料成本低，工艺设备简单，可以实现工业化批量生产。ZrO2(2Y)是指因溶有2mol％的ZrO2。
本发明提供的氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷具体化学组成为Al2O370vol％，氧化锆和铝酸镧总量为30vol％本发明通过沉淀包裹工艺制备了Al2O3/ZrO2(2Y)/La2O3/Al2O3复合粉体，然后经高温烧结得到高强度的复相陶瓷材料。图1列出其工艺流程。首先，配制La、Zr、Y(和Al)的无机盐混合水溶液。然后将上述溶液和氨水同时滴加到α-Al2O3的水悬浮液中并剧烈搅拌。所得沉淀物经多次洗涤后干燥、煅烧，然后高温烧结得到块状瓷体。详细工艺参数如下1.无机盐的选择铝(Al)、镧(La)和钇(Y)的无机盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物的一种或几种，锆的无机盐为ZrOCl2，混合水溶液的阳离子浓度为0.1-0.3M；2.α-Al2O3在水中的分散以聚丙烯酸或聚丙烯酸铵为分散剂，浓度为α-Al2O3固含量的1wt％-3wt％；3.滴定过程中pH值应控制在9-11之间，并强力搅拌，滴定过程的氨水浓度为4N；4.粉体煅烧温度为800℃-1100℃，保温时间为0.5h-1.5h。粉体煅烧在空气中进行以使粉体脱水和晶化并排除粉体制备过程中引入的有机物杂质。
5.瓷体烧结烧结温度为1350℃-1500℃之间，保温时间为0.5h-1h。烧结温度过低或保温时间过短瓷体不能实现完全致密化；反之，瓷体中晶粒易长大。上述两种情况均不利于材料性能的提高。在烧结过程使Al2O3和La2O3原位反应生成板状LaAl11O18板状颗粒。
本发明的突出优点是1.以铝(Al)、镧(La)、锆(Zr)和钇(Y)的无机盐和工业α-Al2O3为原料，原料成本低。
2.瓷体中板状LaAl11O18颗粒在烧结过程中原位生成，避免了板状颗粒对烧结的不利影响。
3.材料烧结温度范围宽，显微结构均匀，具有高的力学性能。
4.材料制备工艺简单，适合于工业化批量生产。
图1为Al2O3/ZrO2(2Y)/LaAl11O18复相陶瓷制备工艺流程图。图2、图3和图4分别为实施例1中Al2O3/ZrO2(2Y)/LaAl11O18复相陶瓷的烧结曲线、XRD图谱和显微结构照片。图5为实施例2中Al2O3/ZrO2(2Y)/LaAl11O18复相陶瓷的显微结构照片。表1和表2分别为实施例1和2中材料力学性能。
具体实施例方式
下面结合实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。然而本发明决非公局限于实施例。
实施例1首先，把Al(NO3)3、ZrOCl2、La(NO3)3和Y(NO3)3配制成阳离子浓度为0.2M的水溶液，其中Al∶La离子摩尔比为11∶1。在剧烈搅拌下将上述无机盐溶液和4N的氨水同时滴入α-Al2O3的水悬浮液中，在滴定过程中保持系统的pH值在9-10之间。所得沉淀经水洗6次，乙醇洗涤2次，100℃×12小时干燥，800℃×1小时煅烧后得到复合粉体然后在高湿下烧结。将所得复合粉体在1350℃-1500℃之间1小时热压烧结后进行显微结构分析和力学性能测试。图2为上述试样的烧结曲线，图3和图4分别为1500℃烧结试样的XRD图谱和显微结构照片。可以看出，该材料具有良好的烧结性，在1350℃-1500℃之间均能实现良好的致密化。瓷体中只包含α-Al2O3、t-ZrO2和LaAl11O18相，且显微结构非常均匀。表1中所列举的该瓷体的力学性能数据表明，该材料在相当宽的烧结温度范围内(1400℃-1500℃)均表现出良好的力学性能，这对工业化生产非常有利。
烧结温度强度(MPa) 韧性(MPa·m1/2)1400℃950 3.41450℃1020 3.81500℃1000 3.8表1实施例2与实施例1有所不同，在本实施例2中Al2O3成分完全来源于工业α-Al2O3。实验过程中首先把ZrOCl2、La(NO3)3和Y(NO3)3配制成阳离子浓度为0.3M的水溶液，然后在剧烈搅拌下将上述无机盐溶液和4N的氨水同时滴入α-Al2O3的水悬浮液中，在滴定过程中保持系统的pH值在9-10之间。所得沉淀经水洗6次，乙醇洗涤2次，100℃×12小时干燥，800℃×1小时煅烧后得到化学组成为70vol％Al2O3+10vol％ZrO2(2Y)+20vol％LaAl11O18的复合粉体。将所得复合粉体在1400℃-1500℃之间1小时热压烧结后进行显微结构分析和力学性能测试。图5为1500℃烧结所得瓷体的显微结构照片，表2中所列举了不同温度下烧结瓷体的力学性能数据。可以看出，由于粉体制备工艺上的差异，实施例2中材料的显微结构均匀性和力学性能相对于实施例1均有所降低，但其强度和韧性仍明显高于氧化铝陶瓷。并且该材料在相当宽的烧结温度范围内同样表现出稳定的力学性能。
烧结温度强度(MPa) 韧性(MPa·m1/2)1400℃ 8063.21450℃ 8523.71500℃ 7943.4表2实施例3具体化学字组成为70vol％Al2O3+20vol％ZrO2(2Y)+10vol％LaAl11O18，其们同实施例1。
实施例4具体化学组成为70vol％Al2O3+15vol％ZrO2(2Y)+15vol％LaAl11O18，其制制备工艺如图1所示
权利要求
1.一种高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷，其特征在于Al2O3含量为70vol％，氧化锆和铝酸镧含量之和为30vol％。
2.按权利要求1所述的一种高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷，其特征在于所述的板状LaAl11O18颗粒是在烧结过程中通过Al2O3和La2O3间原位反应生成的；所述的氧化锆为固溶有2mol％的ZrO2。
3.按权利要求3所述的高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法，包括复合粉体制备和烧结二部份，其特征在于(1)无机盐的选择铝、镧和钇的无机盐为硝酸盐、硫酸盐或氯化物的一种或几种，锆的无机盐为ZrOCl2，混合水溶液的阳离子浓度为0.1-0.3M；(2)α-Al2O3在水中的分散以聚丙烯酸或聚丙烯酸铵为分散剂，浓度为α-Al2O3固含量的1wt％-3wt％；(3)将上述(1)溶液和氨水同时滴加到(2)溶液中形成复相粉体；复相粉体是由Al2O3、ZrO2和La2O3包裹的Al2O3组成；滴定过程中pH值控制在9-11之间，并强力搅拌；(4)粉体煅烧温度为800℃-1100℃，保温时间为0.5h-1.5h。粉体煅烧在空气中进行以使粉体脱水和晶化并排除粉体制备过程中引入的有机物杂质；(5)瓷体烧结烧结温度为1350℃-1500℃之间，保温时间为0.5h-1h。烧结过程使Al2O3和La2O3原位反应生成LaAl11O18。
4.按权利要求3所述的高强度氧化吕/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法，其特征在于滴定过程氨水浓度为4N。
全文摘要
本发明涉及一种高强度Al
文档编号C04B35/622GK1513803SQ03141630
公开日2004年7月21日 申请日期2003年7月16日 优先权日2003年7月16日
发明者高濂, 靳喜海, 高 濂 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所