专利名称：一种钛酸锆基高温结构复合材料及其制备方法
一种钛酸锆基高温结构复合材料及其制备方法
技术领
本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种钛酸锆基高温结构复合材料及其制备方法。
背景技术：
本发明是开发一种可用于冶金、汽车、航天等领域的钛酸锆基(ZrTi04-Al2Ti05)高温结 构复合材料。该复合材料是以钛酸锆为主成分，与少量的钛酸铝复合而成，该复合材料具有 良好的高溫性能、強度及抗热震性。
钛酸锆(ZrTi04)为不一致熔化合物，转熔温度为1900°C。钛酸锆具有高强度、低介电 损耗、及良好的温度稳定性，是制备电容器、压电传感器以及微波介电谐振器的重要电子陶 瓷材料。然而钛酸锆材料优良的耐高温性能在高温结构材料领域中并未获得关注，国内外尚 未见有钛酸锆用于高温结构材料方面的研究与应用报道。
钛酸铝(Al2Ti05)陶瓷材料具有高的熔点(186(TC)，在室温 100(TC温度范围，钛酸铝 具有低的热膨胀系数a (ct小于零，或接近于零)，是目前仅有的低膨胀、高熔点的抗热震陶 瓷材料。钛酸铝陶瓷材料具有两个缺点 一是钛酸铝晶体各晶轴的热膨胀差异较大，导致钛 酸铝在冷却时产生微裂纹，故而钛酸铝材料的机械强度较低，常温抗折强度低于20 MPa; 二 是高温合成的钛酸铝降温至90(TC 130(TC不稳定，分解成金红石(Ti02)和刚玉(a -A1203)， 而失去了低膨胀特性。在钛酸铝合成配料中引入Si02、 MgO、 Zr02、 Fe203等稳定剂，钛酸 铝中温分解得到有效抑制，其强度也有所改善。目前，钛酸铝陶瓷材料已应用于齿科不锈钢 合金熔炼坩埚、有色金属铝冶炼坩埚、铸铝升液管、浮法玻璃流液闸板、汽车尾气净化器载 体等。引入稳定剂的钛酸铝材料其强度虽有所提高(常温抗折强度30MPa左右)，但仍属较 低强度陶瓷材料，限制了钛酸铝材料在钢铁冶金、航天等领域的进一步应用。
将钛酸锆材料与钛酸铝材料复合，利用钛酸锆材料的耐高温、高强度特性，以及钛酸铝 的耐高温、低膨胀特性，制备一种耐高温、高强度、抗热震良好的钛酸锆基(ZrTi04-Al2Ti05) 高温结构复合材料，为钢铁及有色冶金、航天等工业领域提供一种新型高温结构材料。此方 面的的研究与应用在国内外尚未见报道。
发明内容
本发明的发明目的在于上述现有技术中的不足，提供一种耐高温、高强度、抗热震良好 的钛酸锆基高温结构材料及其制备方法。
一种钛酸锆基高温结构复合材料，其特征在于该复合材料所用原料以及原料的重量百分比为钛酸锆粉90 98%;钛酸铝粉2 10%。 该复合材料所用原料的粒径<0.074 mm。
该复合材料所用原料纯度的重量百分比含量为钛酸锆粉中的ZrTiO4》90%;钛酸铝粉 中的Al2TiO5》90%。
该复合材料的制备方法是将钛酸锆粉及钛酸铝粉计量配料后干混l分钟，然后加入质 量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶液结合剂6% (重量百分比)，搅拌5min后静置困料5h获得成 型坯料，经压力成型、烧结得到钛酸锆基高温结构复合材料。
该复合材料的压力成型方法是采用液压压力机或摩擦压力机对坯料进行压制成型，成 型压强为70 100MPa。该复合材料的成型方法还包括等静压成型、热压铸成型、注浆成 型、辊压成型、真空挤压成型或凝胶注模成型。
该复合材料的烧结方法是采用电炉烧结的温度》150(TC，保温3小时。该复合材料的
烧结方法还包括热压烧结、高温真空烧结或高温氮气烧结。 本发明的钛酸锆基高温结构复合材料的组成设计思路为
在Al203-Ti02-Zr02三元系统中，Zr02-Al2Ti05-Al203子系统低共熔温度为1610°C， Zr02-Al2Ti05-ZrTi04子系统低共熔温度为1590°C， Al2Ti05-ZrTi04-Ti02子系统的低共熔温度 为1580'C，三个低共熔温度点的组成位置基本处于八121105含量为50%~70%的范围内，因此 制备ZrTi04-Al2Ti05复相材料-，其组成点应远离三个低共熔点位置，且在A1203-TiOrZr02三 元相图的ZrTi04组成点与Al2Ti05组成点的连线上。
在八121105组成点到ZrTi04组成点的组成线上，从ZrTi04与八121105质量比为卯10 到ZrTi04组成点的范围内，均属于液相线180(TC以上的高温区。故在以上比例范围内配料， 可得到耐高温的ZrTi04-AbTi05复合材料。试验制备钛酸锆基(ZrTi04-Al2Ti05)高温结构复 合材料的配料组成点确定为近ZrTi04端的高温区域。
综上所述，本发明根据钛酸锆材料和钛酸铝材料的优良特性，在钛酸锆为主成分材料中 引入少量的钛酸铝，制备钛酸锆基高温结构复合材料，获得具有耐高温、高强度、抗热震良 好的新型高温结构陶瓷材料。改复合材料有望应用于钢铁冶金浇钢系统，以及有色冶金、玻 璃、汽车尾气净化器、航天、军工等领域。目前对钛酸锆基高温结构复合材料的研究与应用， 在国内尚属空白。 '
具体实施方式
实施例1配料组成粒径<0.74 mm的钛酸锆粉98% ，粒径<0.074 mm的钛酸铝粉2% 。 将钛酸锆粉及钛酸铝粉计量配料后干混1分钟，然后加入质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶
液结合剂6% (重量百分比)，搅拌5 min后静置困料5 h后获得成型坯料。将成型坯料采用液
压压力机进行试样成型，试样成型压强为100MPa;在常压空气条件下采用电炉烧结试样，烧
结温度为1550°C，保温时间为3 h。
烧后钛酸锆基卨温结构复合材料试样的体积密度为4.45 g/cm—3，抗折强度为85.2 MPa，
热膨胀系数a为6.3X10—6/°C (室温 100CTC)，热震断裂次数为11次(110(TC 室温空气冷却)。
实施例2
配料组成粒径<0.74 mm的钛酸锆粉95% ，粒径<0.074 mm的钛酸铝粉5% 。 将钛酸锆粉及钛酸铝粉计量配料后干混1分钟，然后加入质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶 液结合剂6% (重量百分比)，搅拌5 min后静置困料5 h后获得成型坯料。将成型坯料采用液 压压力机进行试样成型，试样成型压强为100MPa;在常压空气条件下采用电炉烧结试样，烧 结温度为1550°C，保温时间为3 h。
烧后钛酸锆基高温结构复合材料试样的体积密度为4.43 g/cm—3，抗折强度为75.4 MPa， 热膨胀系数a为5.9X10YC (室温 1000。C),热震断裂次数为12次(110(TC 室温空气冷却)。
实施例3
配料组成粒径〈0.74mm的钛酸锆粉92X，粒径<0.074 mm的钛酸铝粉8% 。 将钛酸锆粉及钛酸铝粉计量配料后干混1分钟，然后加入质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶 液结合剂6% (重量百分比)，搅拌5 min后静置困料5 h后获得成型坯料。将成型坯料采用液 压压力机进行试样成型，试样成型压强为100MPa;在常压空气条件下采用电炉烧结试样，烧 结温度为155(TC，保温时间为3 h。
烧后钛酸锆基高温结构复合材料试样的体积密度为4.38 g/cm—3，抗折强度为70.7 MPa， 热膨胀系数a为5.8X10—6/°C (室温 100(TC)，热震断裂次数为15次(110(TC 室温空气冷却)。
权利要求
1、一种钛酸锆基高温结构复合材料，其特征在于该复合材料所用原料以及原料的重量百分比为钛酸锆粉90～98％；钛酸铝粉2～10％。
2、 如权利要求1所述钛酸锆基高温结构复合材料，其特征在于所用原料的粒径<0.074mm。
3、 如权利要求1所述钛酸锆基高温结构复合材料，其特征在于所用原料纯度的重量百分 比含量为钛酸锆粉中的ZrTiO4》90。/。；钛酸铝粉中的Al2TiO5》90%。
4、 一种如权利要求1所述的钛酸锆基高温结构复合材料的制备方法，其特征在于将钛 酸锆粉及钛酸铝粉计量配料后干混1分钟，然后加入质量浓度为0.5%的聚乙烯醇溶液结合剂 6%(重量百分比)，搅拌5min后静置困料5h获得成型坯料；经压力成型、烧结得到钛酸锆 基高温结构复合材料。
5、 如权利要求4所述的钛酸锆基高温结构复合材料的制备方法，其特征在于采用液压 压力机或摩擦压力机对坯料进行压制成型，成型压强为70 100MPa。该复合材料的成型方 法还包括等静压成型、热压铸成型、注浆成型、辊压成型、真空挤压成型或凝胶注模成型。
6、 如权利要求4所述的钛酸锆基高温结构复合材料的制备方法，其特征在于采用电炉 烧结的温度为^150(TC，保温3小时。该复合材料的烧结方法还包括热压烧结、高温真空 烧结或高温氮气烧结。
全文摘要
本发明涉及一种钛酸锆基高温结构复合材料及其制备方法，属于陶瓷材料领域。该复合材料所用原料及原料的重量百分比为钛酸锆粉90～98％、钛酸铝粉2～10％。所用原料的粒径＜0.074mm。该复合材料的制备方法是将原料计量配料后干混1分钟，然后加入质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液结合剂6％(重量百分比)，搅拌5min后静置困料5h获得成型坯料；采用液压压力机或摩擦压力机对坯料进行压制成型，坯体的成型压强为70～100MPa；成型后坯体经≥1500℃保温3小时烧结获得耐高温、强度高、抗热震良好的钛酸锆基复合材料。该复合材料可用于冶金、汽车、航天等领域。
文档编号C04B35/462GK101407416SQ20081017794
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者卜景龙, 王志发, 王榕林, 管丹丹, 翠 贾, 马淑龙 申请人:河北理工大学