一种无压烧结工艺制备yam陶瓷的方法
【专利摘要】本发明涉及一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，包括如下步骤：（1）将Y4Al2O9陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA混合均匀，然后装入模具中预成型；（2）将预成型后的Y4Al2O9陶瓷进行冷等静压处理；（3）将冷等静压处理后的Y4Al2O9陶瓷在通有惰性气体保护气氛的烧结炉中，以2～20℃/min的升温速率升至1500～2000℃，烧结1～3小时，得到YAM块体陶瓷；该制备方法不仅大大提高了陶瓷材料的致密度，实现了Y4Al2O9陶瓷材料的致密度可控，而且可以制备出较大尺寸和复杂形状的YAM陶瓷材料，以满足航天航空领域的特殊需求。
【专利说明】—种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三元氧化物陶瓷及其成型制备方法，具体涉及一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法。
【背景技术】
[0002]航空、航天技术的快速发展对材料的性能提出了越来越高的要求，尤其是高超声速飞行器和先进推进系统一超燃冲压发动机的飞速发展使材料和结构面临新的挑战。它们要求材料能够承受高超声速飞行面临的极端热、力和腐蚀环境，因此，防隔热一体化材料是高超声速临近空间飞行器防隔热部件和热密封组件的关键材料，耐高温低热导率材料的研发具有越来越重要的作用。
[0003]Y-A1-0体系陶瓷具有高熔点、低热导率和良好的热、化学稳定性好、抗高温水蒸气腐蚀等优点，近年来越来越受到人们的关注。Y-A1-0体系陶瓷主要包括三种相:Y3A15012 (YAG)相，Y4A1209 (YAM)相和 YA103(YAP)相，目前为止，YAG 相是研究最多的 Y-A1-0陶瓷体系。Zhan等人通过利用第一性原理计算的方法分别研究了 Y-A1-0体系中三个相的热导率，发现YAG、YAM和YAP都具有较低的热导率，而其中YAM的热导率最低(YAG: 1.59W.m-1 ?K-1, YAP: 1.6Iff.m-1 ?K-1, YAM: 1.10W.m-1 ?K-1)，同时Zhan等人从理论上发现了与YAG相比，YAM陶瓷具有更低的弹性模量(YAG: 290MPa，YAM: 190MPa)，说明YAM陶瓷应该具有更加优异的抗热震性能。这些优异性能使得YAM (Y4A1209)作为防隔热一体化结构件、高温弹性密封元件、抗氧化和水蒸气涂层在未来的高超声速临近空间飞行器中具有潜在的应用。
[0004]目前为止，单相YAM块体陶瓷是采用热压法制备得到，但热压法所制备的材料尺寸和形状都有一定的局限性，例如大尺寸或复杂形状的材料很难利用热压法得到，且致密度差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，该制备方法不仅大大提高了陶瓷材料的致密度，而且可以制备出较大尺寸和复杂形状的YAM陶瓷材料，以满足航天航空领域的特殊需求。
[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0007]一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，包括如下步骤:
[0008]( 1)将Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA混合均匀，然后装入模具中预成型；
[0009](2)将预成型后的Y4A1209陶瓷进行冷等静压处理；
[0010](3)将冷等静压处理后的Y4A1209陶瓷在通有惰性气体保护气氛的烧结炉中，以2~20°C /min的升温速率升至1500~2000°C，烧结1~3小时，得到YAM块体陶瓷。
[0011]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体的颗粒度为1~5微米。
[0012]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体使用前进行细化处理，具体为:以去离子水为介质，将υ4αι209陶瓷粉体装入ai2o3快速球磨罐中快速磨5~60分钟，然后取出烘干。
[0013]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA的质量比为100:0.5~5。
[0014]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA的预成型压力为1~lOMPa，在最高压力下保压2~10分钟，卸压。
[0015]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(2)中Y4A1209陶瓷进行冷等静压处理的压力为50~280MPa。
[0016]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(3)中Y4A1209陶瓷在烧结炉中进行烧结时的升温速率为5~10°C /min。
[0017]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，步骤(3)中的惰性气体为氩气、氦气、氣气或氖气。
[0018]在上述无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法中，惰性气体为纯度> 99.99%的氩气。
[0019]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0020](1)、本发明首次将Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA混合制备YAM陶瓷材料，由于PVA是一种水溶性粘接剂，对YAM陶瓷有很好的粘接作用，同时本发明对制备工艺进行了创新设计，通过预压实、冷等静压处理、无压烧结等工艺进行YAM陶瓷材料的制备，该制备方法不仅大大提高了 YAM陶瓷材料的致密度，冷等静压处理后的样品致密度为理论密度的40~60%，而且可以制备出较大尺寸和复杂形状的YAM陶瓷材料；
[0021](2)、本发明采用无压烧结工艺进行YAM陶瓷材料的制备，烧结时不需要压力，克服了传统热压工艺成型，受热压炉`尺寸限制，需要一边升温，一边加压，不能制备出尺寸较大和形状复杂(例如只能为圆柱、方形等规则形状)的陶瓷材料的缺陷，制备过程体积不受限制，可以根据实际需要通过设计不同复杂形状的模具，从而制备出各种复杂形状的陶瓷材料，以满足航天航空领域的特殊需求；
[0022](3)、本发明通过大量实验绘制出无压烧结工艺制备Y4A1209 (YAM)陶瓷的过程中，材料致密度随烧结温度的变化曲线，实际制备过程中根据该曲线通过设定烧结温度即可获得所需致密度的陶瓷材料，实现了致密度可控的YAM块体陶瓷材料或坯体陶瓷材料的制备;
[0023](4)、本发明制备得到的Y4A1209(YAM)陶瓷具有高熔点、高强度、低模量、良好的抗热震性能以及低热导率等优异性能，作为耐高温隔热结构材料在航空、航天工业等领域的应用具有巨大的潜力；
[0024](5)、本发明无压烧结工艺制备YAM陶瓷材料的工艺方法简单方便，易于实现，具有较强的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明利用无压烧结工艺制备Y4A1209陶瓷的过程中材料致密度随烧结温度的变化曲线；
[0026]图2为本发明实施例3中冷等静压处理后的YAM陶瓷样品与无压烧结后的YAM陶瓷样品对比图；[0027]图3为本发明实施例3中YAM陶瓷在1800°C烧结2小时的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述: [0029]本发明无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，具体包括如下步骤:
[0030]步骤(一)、对￥一1209陶瓷粉体进行细化处理，具体为:以去离子水为介质，装入A1A快速球磨罐中快速磨5~60分钟，然后取出烘干。
[0031]步骤(二)、将烘干后的Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇(PVA)按质量比为100:0.5~5混合均匀，然后装入模具中预成型，采用的压力为1~lOMPa，在最高压力(预成型压力)下保压2~10分钟，卸压。模具可以为圆柱形、立方体形等，或根据需要设计成各种复杂形状，且模具材料可以灵活选择，例如不锈钢模具。
[0032]步骤(三)、将预成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入橡胶模具中冷等静压处理，采用的压力为50~280MPa。
[0033]步骤(四)、将冷等静压处理后的块体Y4A1209(YAM)陶瓷装入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性气体保护气氛的烧结炉中以2~20°C /min的升温速率升至1500~2000°C烧结1~3小时，升温速率优选5~10°C /min，利用上述工艺最终得到不同致密度的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0034]上述Y4A1209 (YAM)陶瓷粉粒度范围为1~5微米；冷等静压处理后的样品致密度为理论密度的40~60%,烧结方式为无压烧结；惰性气体为IS气、氦气、氣气或氖气,优选纯度≥99.99%的氩气。
[0035]本发明无压烧结工艺制备Y4A1209陶瓷的过程中制备得到的材料致密度与烧结温度与冷等静压均有关，如图1所示为本发明利用无压烧结工艺制|Y4A1209陶瓷的过程中材料致密度随烧结温度的变化曲线，实际制备过程中根据该曲线通过设定烧结温度即可获得所需致密度的陶瓷材料，实现了致密度可控的YAM块体陶瓷材料或坯体陶瓷材料的制备。
[0036]实施例1
[0037]将Y4A1209 (YAM)陶瓷粉体装入A1203快速球磨罐中进行细化处理，以去离子水为介质，快速球磨5分钟，然后取出烘干。将^1209粉体与聚乙烯醇(PVA)按质量比为100:0.5混合均匀后装入不锈钢模具中，模具形状为圆柱形，然后利用IMPa的压力预成型，在IMPa下保压2分钟后卸压。将预成型的Y4A1209(YAM)陶瓷装入橡胶模具中采用50MPa的压力冷等静压处理。最后将冷等静压处理的￥41209 (￥411)陶瓷装入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性气体(纯度≥99.99%的氩气)保护气氛的烧结炉中以2°C /min的升温速率升至1500°C烧结1小时。
[0038]利用上述工艺最终得到致密度为70%WY4A1209(YAM)陶瓷。
[0039]实施例2
[0040]将Y4A1209(YAM)陶瓷粉体利用A1203快速球磨罐进行细化处理，以去离子水为介质，快速球磨30分钟，然后取出烘干。将Y4A1209粉料与聚乙烯醇(PVA)按质量比为100:2混合均匀后装入不锈钢模具中，模具形状为立方体形，然后利用5MPa的压力预成型，在5MPa下保压5分钟后卸压。将预成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入橡胶模具中采用150MPa的压力冷等静压处理。最后将经过冷等静压处理的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性气体(纯度> 99.99%的氩气)保护气氛的烧结炉中以10°C /min的升温速率升至1700°C烧结2小时。
[0041]利用上述工艺最终得到致密度为91°/d^Y4Al209(YAM)陶瓷。
[0042]实施例3
[0043]将Y4A1209 (YAM)陶瓷粉体装入A1203快速球磨罐中进行细化处理，以去离子水为介质，快速球磨60分钟，然后取出烘干。将￥4么1209粉料与聚乙烯醇(PVA)按质量比为100:4混合均匀后装入不锈钢模具中，模具形状为圆柱形，然后利用8MPa的压力预成型，保压10分钟后卸压。将预成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入橡胶模具中采用250MPa的压力冷等静压处理。最后将冷等静压处理的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性气体(氙气)保护气氛的烧结炉中以15°C /min的升温速率升至1800°C烧结2小时。[0044]利用上述工艺最终得到致密度为100%的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0045]如图2所示为本实施例中冷等静压处理后的YAM陶瓷样品与无压烧结后的YAM陶瓷样品对比图，其中左图为冷等静压处理后的YAM陶瓷样品，右图为无压烧结后的YAM陶瓷样品，由图可知烧结后的陶瓷样品与烧结前相比，均匀收缩、且没有开裂。
[0046]如图3所示为本实施例中YAM陶瓷在1800°C烧结2小时的扫描电镜照片，由图可知YAM陶瓷样品致密度好，且没有开裂和气泡。
[0047]实施例4
[0048]将Y4A1209 (YAM)陶瓷粉体装入A1203快速球磨罐中进行细化处理，以去离子水为介质，快速球磨40分钟，然后取出烘干。将Y4A1209粉料与聚乙烯醇(PVA)按质量比为100:3混合均匀后装入不锈钢模具中，模具设计为所需的不规则形状，然后利用6MPa的压力预成型，保压5分钟后卸压。将预成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入橡胶模具中采用200MPa的压力冷等静压处理。最后将冷等静压处理的Y4A1209 (YAM)陶瓷装入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性气体(纯度≥99.99%的氩气)保护气氛的烧结炉中以20°C /min的升温速率升至1850°C烧结2小时。
[0049]利用上述工艺最终得到致密度为98%的Y4A1209 (YAM)陶瓷，但材料有轻微的分解现象。
[0050]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0051]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)将Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA混合均匀，然后装入模具中预成型； (2)将预成型后的Y4A1209陶瓷进行冷等静压处理； (3)将冷等静压处理后的Y4A1209陶瓷在通有惰性气体保护气氛的烧结炉中，以2~20°C /min的升温速率升至1500~2000°C，烧结1~3小时，得到YAM块体陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体的颗粒度为1~5微米。
3.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(1)中y4ai2o9陶瓷粉体使用前进行细化处理，具体为:以去离子水为介质，将y4ai2o9陶瓷粉体装入A1203快速球磨罐中快速磨5~60分钟，然后取出烘干。
4.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA的质量比为100:0.5~5。
5.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(1)中Y4A1209陶瓷粉体与聚乙烯醇PVA的预成型压力为1~lOMPa，在最高压力下保压2~10分钟，卸压。
6.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(2)中Y4A1209陶瓷进行冷等静压处理的压力为50~280MPa。
7.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(3)中Y4A1209陶瓷在烧结炉中进行烧结时的升温速率为5~10°C /min。
8.根据权利要求1所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步骤(3)中的惰性气体为氩气、氦气、氙气或氖气。
9.根据权利要求8所述的一种无压烧结工艺制备YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述惰性气体为纯度> 99.99%的氩气。
【文档编号】C04B35/505GK103553615SQ201310381787
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】卢新坡, 周延春 申请人:航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院