一种高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料及其制备方法，属于陶瓷材料制备领域。

背景技术：

近几年随着国际市场对稀土的需求增大，氧化钇作为稀土氧化物受到更多的关注，随着科技的发展，氧化钇制品的应用将愈来愈广泛，氧化钇陶瓷的研究和开发有着诱人的前景。氧化钇是一种质优价廉的稀土氧化物，具有耐高温、耐腐蚀、高温稳定性好的优异性能。然而，氧化钇陶瓷同其他陶瓷材料一样以离子键或共价键结合，位错的势垒很高，材料的韧性很差，时常出现脆性断裂，这一致命弱点，导致其不能经受大的机械冲击和热冲击，抗热震性差，安全运行的可靠性很差，大大限制了其开发和应用。如何提高氧化钇材料韧性及抗热震性能，在某种程度上来讲是满足其工业生产的关键问题。

陶瓷材料的力学、物理、化学等性能在很大程度上取决于其显微结构，在某些情况下甚至是决定性的。当然，材料的组成和加工工艺往往共同决定了材料的显微结构，从这一方面来说，材料的显微结构又受到组成和加工工艺的制约。要精确控制材料的显微结构是非常困难的，而按照预定的性能设计和制造材料(材料设计或分子设计，最终落实到材料显微结构设计)正是材料学家的梦想。改善陶瓷的显微结构和性能的常用方法之一是引入添加剂，如果把显微结构控制在理想的状态，就能使材料具备所希望的性能，例如在氧化铝陶瓷中，某些添加剂与氧化铝在晶界形成固溶体薄层，起到钉扎作用，阻碍晶界的移动而细化晶粒，有利于材料性能的改善；又如近来，有报道称通过在氧化铝引入添加剂，在氧化铝陶瓷中原位生成片晶，起到类似晶须对材料强韧化的作用，片晶分布均匀，与基体物理、化学相容性好，大大提高了材料的力学性能；再如，通过加入添加剂和预埋晶种可以获得织构化的显微结构。通过控制这些晶粒尺寸、控制晶粒各向异性的长径比大小以及在基体中的含量，可以提高氧化铝陶瓷的断裂韧性，达到增韧的目的。

目前，关于通过对显微结构进行优化设计来提高氧化钇材料断裂韧性及抗热震性方面的研究或应用尚未见诸相关报道。

技术实现要素：

本发明的技术方案是采用特殊形貌的氧化钇粉体为原料，通过低温快速烧结方式，使其烧结体承袭原料的微观结构或改善其显微结构，达到对氧化钇材料显微结构进行优化设计的目的，以此来提高氧化钇材料的断裂韧性及抗热震性能。

本发明采用晶须状、片层状的氧化钇粉体为原料，采用电脉冲烧结法对氧化钇坯体进行烧结。

一种高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料的制备方法，所述方法是以微观结构为晶须状或片层状的氧化钇粉体为原料，经电脉冲烧结的方式制得高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

优选地，所述晶须状氧化钇粉体是经脉冲电流辅助液相沉淀法所制得，其具体步骤为：将0.1～2mol·l^-1的沉淀剂nh4hco3溶液滴加至0.2～1.5mol·l^-1的y(no3)3溶液中至溶液ph值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度为25～75℃，在滴定过程中同时进行搅拌；在沉淀过程中对溶液施加电流为0.5～10a，频率为0.1～10khz的脉冲电流，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经600～800℃煅烧30～120min。

优选地，所述片层状氧化钇粉体是经沉淀法制得，其具体步骤为：将1.0～1.5mol·l^-1的沉淀剂nh4hco3溶液滴加至0.05～0.2mol·l^-1的y(no3)3溶液中至溶液ph值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度为15～40℃，在滴定过程中同时进行搅拌，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经600～800℃煅烧30～120min。

优选地，所述电脉冲烧结工艺条件为：轴向压力30～50mpa，烧结升温速率为100～120℃·min^-1，烧结温度1300～1500℃，保温时间5～10min，炉内真空度≤5pa，烧结完成后随炉冷却至室温。

优选地，所述方法的具体步骤为将氧化钇粉体加入至石墨模具内，使氧化钇粉体充填密实，然后将装好氧化钇粉体的石墨模具置于电脉冲烧结设备中，开启电脉冲烧结设备，设置电脉冲烧结工艺参数对氧化钇进行电脉冲烧结制得高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

本发明的另一目的是提供一种下述方法制备的高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料，所述材料的显微结构承袭了原料的微观结构晶须状或片层状，且晶粒呈交织状态，晶粒间存在少量微小气孔，其断裂韧性kic为2.65～3.45mpa·m^1/2，抗热震循环次数为6次～12次。

所述方法是以微观结构为晶须状或片层状的氧化钇粉体为原料，经电脉冲烧结的方式制得高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

所述抗热震循环次数采用水急冷法测量，具体检测步骤如下：首先将待测试材料放置抗热震炉内于800℃保温15min；然后将其放入水中急冷3min；从水中取出后在空气中冷却12min，完成一次抗热震测试；再将待测试材料重新置于800℃的抗热震炉内进行保温，往复循环上述操作过程，直至试样出现裂纹，记录出现裂纹的循环次数。

本发明的有益效果：本发明涉及一种高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料及其制备方法，以晶须状、片层状结构的氧化钇粉体为原料，采用脉冲电流烧结方式对其进行低温快速致密化烧结。烧结温度1300～1500℃，保温时间5～10min，脉冲电流烧结后的氧化钇材料，其显微结构承袭了原料的微观结构，晶粒交织，晶粒间存在微小气孔，得以对氧化钇材料显微结构进行优化设计，材料的断裂韧性、抗热震性较以普通氧化钇为原料，常压烧结制品分别提高了50％、300％以上。

附图说明

图1为晶须状氧化钇原料sem照片；

图2为市售颗粒状氧化钇原料常压烧结(烧结温度1600℃，保温时间300min)试样抗热震测试后断面sem照片；

图3为晶须状氧化钇原料电脉冲烧结(烧结温度1500℃，保温时间10min)试样抗热震测试后断面sem照片；

图4为片层状氧化钇原料sem照片；

图5为片层状氧化钇原料电脉冲烧结(烧结温度1300℃，保温时间10min)试样抗热震测试后断面sem照片；

图6为片层状氧化钇原料电脉冲烧结(烧结温度1500℃，保温时间10min)试样抗热震测试后断面sem照片。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

本实施例采用晶须状氧化钇作为原料，所述晶须状氧化钇按照下述步骤制备：

将1.5mol·l^-1的沉淀剂nh4hco3溶液滴加至0.3mol·l^-1的y(no3)3溶液中至溶液ph值为7后停止滴加，沉淀过程反应温度为55℃，在滴定过程中同时进行搅拌；在沉淀过程中对溶液施加电流为10a，频率为10khz的脉冲电流，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经700℃煅烧60min，制得晶须状氧化钇。

将晶须状氧化钇原料(原料的扫描电镜照片如图1所示)置于的石墨模具中，使氧化钇粉体充填密实，采用电脉冲烧结方式，施加轴向压力为50mpa，烧结升温速率为100℃·min^-1，烧结温度为1500℃，烧结真空度为≤5pa，保温时间10min，制得所述高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

采用水急冷法测量试样的抗热震性，其具体检测工艺流程为：将试样首先在抗热震炉内于800℃保温15min；保温15min后，从炉内取出试样，快速将其放入水中急冷3min；从水中取出试样，在空气中进一步冷却12min后，完成一次抗热震测试；再将其重新置于800℃的抗热震炉内进行保温；往复循环上述操作过程，直至试样出现裂纹，记录出现裂纹的循环次数。

采用本发明所提供的方法所制得的氧化钇材料其断裂韧性kic为3.45mpa·m^1/2，抗热震循环次数为6次。

本发明所述方法所制得的试样经抗热震检测后试样的断面显微结构照片如图3所示。采用脉冲电流烧结方式，在较低温度，很短的保温时间所制备的试样其气孔很少，抗热震测试后的裂纹为穿晶断裂。

上述结果表明，以晶须状氧化钇为原料，采用脉冲电流低温快速(1500℃×10min)烧结可制备出高致密度(相对密度达99.6％)、高断裂韧性、高抗热震性的氧化钇材料。其中烧结温度1500℃，保温时间10min可表示为1500℃×10min。

实施例2

本实施例采用片层状氧化钇作为原料，所述片层状氧化钇按照下述步骤制备：

将1.5mol·l^-1的沉淀剂nh4hco3溶液滴加至0.1mol·l^-1的y(no3)3溶液中至溶液ph值为7后停止滴加，沉淀过程反应温度为35℃，在滴定过程中同时进行搅拌，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经700℃煅烧60min，制得片层状氧化钇。

将片层状氧化钇原料(原料的扫描电镜照片如图4所示)置于的石墨模具中，使氧化钇粉体充填密实，采用电脉冲烧结方式，施加轴向压力为50mpa，烧结升温速率为100℃·min^-1，烧结温度为1300℃，烧结真空度为≤5pa，保温时间10min，制得所述高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

采用本发明所提供的方法所制得的氧化钇材料其断裂韧性kic为2.65mpa·m^1/2，抗热震循环次数为8次。本发明所述方法所制得的试样经抗热震检测后试样的断面显微结构照片如图5所示。

由图5所示试样的显微结构可知，利用片层状结构的氧化钇粉体为原料，经电脉冲1300℃×10min低温快速烧结所制备的试样，经抗热震检测后在其断面没有观察到明显的裂纹；其微观组织结构承袭了原料的微观结构特点，即也呈现出片层状结构。此外，片层状结构互相交织在一起，提高了材料的断裂韧性。此外，片层结构之间还存在着一定量的气孔，这对吸收热应力，阻止裂纹的产生和扩展起到了一定的作用，因而也可提高材料的抗热震性能。

上述结果表明，以片层状氧化钇为原料，采用脉冲电流低温快速(1300℃×10min)烧结可制备出高断裂韧性、高抗热震性的氧化钇材料。

实施例3

本实施例采用片层状氧化钇作为原料，所述片层状氧化钇按照下述步骤制备：

将1.5mol·l^-1的沉淀剂nh4hco3溶液滴加至0.1mol·l^-1的y(no3)3溶液中至溶液ph值为7后停止滴加，沉淀过程反应温度为35℃，在滴定过程中同时进行搅拌，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经700℃煅烧60min，制得片层状氧化钇。

将氧化钇片层状原料置于的石墨模具中，使氧化钇粉体充填密实，采用电脉冲烧结方式，施加轴向压力为50mpa，烧结升温速率为100℃·min^-1，烧结温度为1500℃，烧结真空度为≤5pa，保温时间10min，制得所述高断裂韧性高抗热震性氧化钇材料。

采用本发明所提供的方法所制得的氧化钇材料其断裂韧性kic为3.24mpa·m^1/2，抗热震循环次数为12次。本发明所述方法所制得的试样经抗热震检测后试样的断面显微结构照片如图6所示。

由图6所示结果可知，利用片层状结构的氧化钇粉体为原料，经电脉冲1500℃×10min低温快速烧结所制备的试样，经抗热震检测后在其断面没有观察到明显的裂纹；颗粒间通过烧结已经很好结合，但颗粒间也存在较为明显的分界，且颗粒间存在微小孔隙。上述的显微结构特征，使得以片层结构氧化钇粉体为原料，经脉冲电流烧结所制备的试样很高的抗热震性能。

上述结果表明，以片层状氧化钇为原料，采用脉冲电流低温快速(1500℃×10min)烧结可制备出高致密度、高断裂韧性、高抗热震性的氧化钇材料。

对比例1

作为对比，将采用市售颗粒氧化钇为原料，经100mpa压力钢模压制成型，经1600℃常压烧结保温300min后的制得的氧化钇试样与本发明的实施例中试样进行比较。

对比例制得的材料其断裂韧性仅1.68mpa·m^1/2，抗热震循环次数不足2次。对比试样制得的试样经抗热震检测后试样的断面显微结构照片分别如图2所示。

由图2所示试样显微结构可以看出，以市售颗粒状氧化钇为原料，经比实施例1、实施例2、实施例3更高的压力(100mpa)，更高的烧结温度(1600℃)，更长的保温时间(300min)所制备的试样其气孔较多，抗热震测试后所产生的裂纹其断裂形式为沿晶断裂；而采用脉冲电流烧结方式，在较低温度，很短的保温时间所制备的试样其气孔很少，抗热震测试后的裂纹为穿晶断裂。很显然，在相同条件下穿晶断裂所需能量要远高于沿晶断裂所需能量。由此不难理解，以晶须状氧化钇为原料和片层状氧化钇为原料，经脉冲电流烧结法所制备的试样其抗热震性能要明显优于以颗粒状氧化钇为原料，采用常压烧结法所制备的试样。