专利名称：一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法
技术领域：
本发明属材料科学技术领域，特别涉及一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的 制备方法。
背景技术：
复合陶瓷材料具有高熔点、良好的耐磨性、热化学稳定性、高硬度等优点，适合于 制作加工难加工材料的刀具。山东大学的艾兴、萧虹等使用氢氧化铝热分解料和碳化钩 钛固溶体粉末为原料，采用高温快速热压方法制备了氧化铝一碳化钨钛复合陶瓷刀具材 料，该材料的抗弯强度为850MPa、硬度为HRA94.7-95.3、断裂韧度为4.94 MPa m1/2， 已应用于难加工材料的半精加工和精加工，但相对较低的断裂韧性限制了其进一步的应 用范围(艾兴，邓建新.陶瓷刀具的发展与应用.机械工人(冷加工)[J]， 2000， 9: 4-6)，如何进一步提高此复合陶瓷材料的韧性是研究的重点之一。研究表明，在陶瓷 材料中加入纳米颗粒可以有效提高复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性(M. Sternitzke. Review: Structural Ceramic Nanocomposites[J]. J. Eur. Ceram. Soc [J] ， 1997, 17: 1061-1082)，明显改善其高温性能(李广海，江安全，张立德.添加纳米八1203对八1203 陶瓷增韧和增强的影响[J].金属学报，1996,32(12) : 1285-1288)。此外，在微米级基体 粉料中加入适量的纳米级基体粉料，与增强相粉料混合均匀，烧结后可得到具有良好综 合力学性能的复合陶瓷材料(Z丄Lii, X. Ai and 1 Zhao. Preparation of Agglomerate-free Starting Powders for TiCp-reinforced fi-Sialon Nanocomposites. Materials Science Forum. 2004,471-472:282-286)。但原料制备过程中由于纳米粉体粒径小、比表面积大、化学 活性高，易于团聚而形成尺寸较大的团聚体，纳米粉体的团聚将严重影响烧结体的致密 度、强度、韧性、可靠性及其它性能。纳米粉体的分散效果受多种因素的影响，粒度、 比表面积、分散剂种类、加入量、分散介质、固相含量、PH值以及超声分散的强度与 时间等都直接与分散效果有关，需要大量对比实验以确定最佳分散工艺参数。现有纳米 氧化铝的分散多采用聚乙二醇(PEG)、六偏磷酸钠作为分散剂，PEG的分散效果一般， 六偏磷酸钠的分散效果虽然较好，但其烧结后会引入钠离子等杂质，对于纳米复合陶瓷 材料的性能有一定的影响
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高强度、高硬度、高韧 性及良好高温稳定性的氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法。 本发明是通过以下方式实现的
一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征包括以下步骤
(1) 纳米颗粒的分散
将纳米C1-Al203缓慢加入去离子水中，边加入边搅拌，配置体积分数为2%的悬浮
液，超声搅拌均匀；以聚甲基丙烯酸氨(PMAA-NH4)为分散剂，其用量为要分散的纳 米"八1203质量的1.2%，将分散剂滴入已混合的纳米a-Al203悬浮液，调整Ph值为 9.5-10;超声搅拌均匀，得到分散性能良好的a-Al203悬浮液；
(2) 混料
按体积百分比纳米a -A1203为5 54%、亚微米a -A1203为5 49%、微米(W, Ti) C为 45%、 MgO为0.5%、 Ni0为0. 5%进行配料;将亚微米0-八1203、微米(W， Ti)C及添加剂 Mg0和Ni0与(1)配制好的纳米a ^1203悬浮液进行混合，超声搅拌均匀后装入球磨桶， 再在球磨机上混合48 72小时，经真空干燥、过筛，得到混合均匀的原料粉末；
(3) 热压烧结
将混合好的原料粉末装入高强石墨模具中，采用氮气保护、均匀加压的热压烧结工 艺；在室温 1700'C时，升温速度为75 85'C/分钟，压力平稳均匀地加至30Mpa;在 1700°C、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
上述一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征是步骤(1)中两 次超声搅拌的时间均为20分钟。
通过以上步骤，可制得粒度分布均匀、硬度高、具有高抗弯强度、断裂韧性及抗高 温的氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料。
该制备方法通过在微米级的a -八1203基体中添加纳米级a —Al203和(W, Ti)C固溶体 粉末，并控制纳米a-A1203颗粒的体积分数，以MgO、 NiO为抑制剂和助烧剂，采用 N2气氛保护，均匀加压的热压烧结技术。纳米a-Al203颗粒的引入，有效地抑制了微米 氧化铝颗粒的长大，细化了晶粒；原料中的纳米(W，Ti)C颗粒与基体a-Al203形成了典 型的晶内型/晶间型结构；Al203基体与(W,Ti)C增强相界面结合紧密，互相穿插和包裹， 形成了典型的骨架结构。此复合陶瓷材料具有粒度细小且分布均匀、高硬度、高抗弯强 度、高断裂韧性、良好的高温稳定性等特点。该纳米复合陶瓷材料适合于制作高温及耐 磨性要求较高的金属切削刀具、喷嘴等。
具体实施例方式
下面给出本发明的最佳实施例。实施例1
亚微米a 41203(0.5^1111)+纳米a -Al2O3(80nm)十微米(W, Ti)C(lpm)，纳米复合材料中 各组分的含量(体积百分比)为43%亚微米0-八1203， 11%纳米"八1203， 45。/。微米(W, Ti)C， 0.5%MgO， 0.5%NiO。将称重后的纳米a-A1203缓慢加入去离子水中，边加入边 搅拌，配置体积分数为2%的悬浮液，超声搅拌20分钟；以聚甲基丙烯酸氨(PMAA-NH4) 为分散剂，其用量为要分散的纳米a-Al203质量的1.2%，将分散剂滴入已混合的a -八1203水溶液，调整Ph值为9.5-10;超声搅拌20分钟，得到分散性能良好的悬浮液。 将亚微米的a-A1203、球磨后的微米(W， Ti)C及添加剂MgO和NiO与己配制好的纳米a -八1203悬浮液进行混合，超声搅拌30分钟后在行星式球磨机上混合72小时，再经过真 空干燥、过筛，得到分散良好的复合粉末料。采用高纯度氮气保护，均匀加压的热压烧 结工艺；在室温 170(TC时，升温速度为75。C/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa，保温 IO分钟，保温阶段温度为17(XTC，压力30MPa，断电后自然冷却至室温。
材料的力学性能为硬度HV19 21GPa，抗弯强度820 840MPa，断裂韧性为 6~6.89MPa.mI/2。
实施例2
亚微米a -八1203(0.5|^1)+纳米a -Al2O3(80nm) +微米(\￥， Ti)C(lpm)，纳米复合材料中 各组分的含量(体积百分比)为36%亚微米￡1-八1203, 18%纳米(1-八1203， 45。/。微米(W, Ti)C， 0.5%MgO， 0.5%NiO。将称重后的纳米a-A1203缓慢加入去离子水中，边加入边 搅拌，配置体积分数为2%的悬浮液，超声搅拌20分钟；以聚甲基丙烯酸氨(PMAA-NH4) 为分散剂，其用量为要分散的纳米a-Al203质量的1.2%,将分散剂滴入己混合的a -八1203水溶液，调整Ph值为9.5-10;超声搅拌20分钟，得到分散性能良好的悬浮液。 将亚微米与a -A1203、球磨后的微米(W, Ti) C及添加剂MgO和NiO与已配制好的纳米a -八1203悬浮液进行混合，超声搅拌30分钟后在行星式球磨机上混合72小时，再经过真 空干燥、过筛，得到分散良好的复合粉末料。釆用高纯度氮气保护，均匀加压的热压烧 结工艺；在室温 170(TC时，升温速度为85"C/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa，保温 IO分钟，保温阶段温度为1700°C，压力30MPa，断电后自然冷却至室温。
材料的力学性能为硬度HV17 19GPa，抗弯强度790 810MPa，断裂韧性为 6.5~7.15MPa.m1/2。
实施例3
亚微米a -Al2O3(0.5nm)+纳米a -Al2O3(30nm) +微米(\\^, Ti)C(lnm)，纳米复合材料中 各组分的含量(体积百分比)为27%亚微米"八1203， 27%纳米0-八1203， 45。/。微米(W, Ti)C， 0.5%MgO， 0.5%NiO。将称重后的纳米a-A1203缓慢加入去离子水中，边加入边 搅拌,配置体积分数为2%的悬浮液，超声搅拌20分钟；以聚甲基丙烯酸氨(PMAA-NH4)为分散剂，其用量为要分散的纳米ci-Al203质量的1.2%,将分散剂滴入已混合的a -^203水溶液，调整Ph值为9.5-10;超声搅拌20分钟，得到分散性能良好的悬浮液。 将亚微米与0 41203、球磨后的微米(W， Ti)C及添加剂MgO和NiO与己配制好的纳米a -八1203悬浮液进行混合，超声搅拌30分钟后在行星式球磨机上混合48小时，再经过真 空干燥、过筛，得到分散良好的复合粉末料。采用高纯度氮气保护，均匀加压的热压烧 结工艺；在室温 170(TC时，升温速度为85'C/分钟，压力平稳均匀地加至30MPa，保温 IO分钟，保温阶段温度为170CTC,压力30MPa，断电后自然冷却至室温。
材料的力学性能为硬度HV17 18GPa，抗弯强度765 800MPa，断裂韧性为 6~6.72MPa.m1/2。
权利要求
1.一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征包括以下步骤(1)纳米颗粒的分散将纳米α-Al2O3缓慢加入去离子水中，边加入边搅拌，配置体积分数为2％的悬浮液，超声搅拌均匀；以聚甲基丙烯酸氨(PMAA-NH4)为分散剂，其用量为要分散的纳米α-Al2O3质量的1.2％，将分散剂滴入已混合的纳米α-Al2O3悬浮液，调整Ph值为9.5-10；超声搅拌均匀，得到分散性能良好的α-Al2O3悬浮液；(2)混料按体积百分比纳米α-Al2O3为5～54％、亚微米α-Al2O3为5～49％、微米(W，Ti)C为45％、MgO为0.5％、NiO为0.5％进行配料；将亚微米α-Al2O3、微米(W，Ti)C及添加剂MgO和NiO与(1)配制好的纳米α-Al2O3悬浮液进行混合，超声搅拌均匀后装入球磨桶，再在球磨机上混合48～72小时，经真空干燥、过筛，得到混合均匀的原料粉末；(3)热压烧结将混合好的原料粉末装入高强石墨模具中，采用氮气保护、均匀加压的热压烧结工艺；在室温～1700℃时，升温速度为75～85℃/分钟，压力平稳均匀地加至30Mpa；在1700℃、压力30MPa条件下，保温10分钟，然后断电自然冷却至室温。
2. 根据权利要求1所述的一种氧化铝一碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特 征是步骤(1)中两次超声搅拌的时间均为20分钟。
全文摘要
本发明属材料科学技术领域，特别涉及一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法。本发明的特征是在亚微米级α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>基体中加入纳米级α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和微米级(W，Ti)C粉末，以MgO和NiO为抑制剂和助烧剂，通过高纯N<sub>2</sub>气氛保护，均匀加压的热压烧结工艺，制备出Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>基的纳米复合陶瓷材料。纳米Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>颗粒的引入，有效抑制了微米氧化铝颗粒的长大，细化了晶粒，材料粒度分布均匀，具有高的硬度、抗弯强度、断裂韧性，良好的耐磨性和高温稳定性。该纳米复合陶瓷材料适合于制作高温及耐磨性要求较高的金属切削刀具、喷嘴等。
文档编号C04B35/56GK101279840SQ200810016209
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者周咏辉, 兴 艾, 袁训亮, 军 赵 申请人:山东大学