一种大型风力发电机陶瓷叶片及其制备方法与流程

本发明属于风机叶片制备技术领域，尤其涉及一种大型风力发电机陶瓷叶片及其制备方法。

背景技术：

氧化锆陶瓷材料因具有优良的力学性能、抗腐蚀性能、生物相容性、美观性、较高的热膨胀系数、低热导率及高化学稳定性而广泛应用于齿科材料、人体骨骼、陶瓷刀具、研磨介质和热障涂层材料等领域。

我国内蒙古自治区具有丰富的风能资源，有居多的风口，所以风力发电也在日益发展，但目前风力发电机的叶片主要采用合金，该材料已经无法满足使用需求，比如耐腐蚀性差，导致酸雨等环境下被腐蚀，耐磨性能有待提高等缺点抑制了该材料的进一步使用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大型风力发电机陶瓷叶片及其制备方法。本发明制得的大型风力发电机陶瓷叶片具有高强度，且耐磨、耐腐蚀性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种大型风力发电机陶瓷叶片的制备方法，包括以下步骤:

将氧化锆、氧化钇、氧化铝、分散剂和水混合后球磨，得到球磨浆料；

将所述球磨浆料进行砂磨处理，得到砂磨浆料；

将所述砂磨浆料进行干燥处理，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

将所述氧化锆纳米陶瓷粉体压制成型，得到陶瓷叶片胚体；

将所述陶瓷叶片胚体进行焙烧，得到大型风力发电机陶瓷叶片。

优选地，所述氧化锆、氧化钇和氧化铝的质量比为(942～952)：(48～58)：(1～5)。

优选地，所述球磨浆料的固含量为55～65％。

优选地，所述球磨在辊磨机或搅拌球磨机中进行；所述辊磨机的球磨转速为60～80r/min，球磨时间为12～15h，研磨体为粒径10～30mm的氧化锆球，所述搅拌球磨机的球磨转速为120～160r/min，球磨时间为2～6h，研磨体为粒径5～10mm的氧化锆球。

优选地，所述砂磨处理的转速为2000～2500r/min，处理时间为2～6h，研磨介质为0.1～0.8mm的氧化锆珠。

优选地，所述砂磨浆料的固含量为35～55％。

优选地，所述分散剂包括聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚甲基丙烯酸氨和聚乙二醇中的一种或多种，所述分散剂的加入质量与氧化锆、氧化钇和氧化铝的总质量比为(0.2～1.0)：100。

优选地，所述焙烧的温度为1350～1520℃，焙烧的时间为2～5h。

优选地，升温至所述焙烧的温度的升温速率为5℃/min。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的大型风力发电机陶瓷叶片，所述陶瓷叶片的密度为6.06～6.08g/cm³，硬度为14.75～15.27gpa，韧性为9.75～10.17mpa·m^1/2，三点弯曲强度为1201～1255mpa。

本发明提供了一种大型风力发电机陶瓷叶片的制备方法，包括以下步骤：将氧化锆、氧化钇、氧化铝、分散剂和水混合后球磨，得到球磨浆料；将所述球磨浆料进行砂磨处理，得到砂磨浆料；将所述砂磨浆料进行干燥处理，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；将所述氧化锆纳米陶瓷粉体压制成型，得到陶瓷叶片胚体；将所述陶瓷叶片胚体进行焙烧，得到大型风力发电机陶瓷叶片。本发明采用砂磨处理将氧化物原料直接细化，制备过程只需要适量水，避免了酸根离子的引入，能源消耗低，生产效率高，安全无污染，符合未来新材料制备的发展要求；同时，通过在氧化钇、氧化锆中掺杂氧化铝，可以降低氧化锆陶瓷的烧结温度，细化陶瓷晶粒尺寸，达到提高氧化锆陶瓷机械性能的目的。实施例的数据表明，本发明提供的陶瓷叶片的密度为6.06～6.08g/cm³，硬度为14.75～15.27gpa，韧性为9.75～10.17mpa·m^1/2，三点弯曲强度为1201～1255mpa，耐腐蚀，具有优良的机械性能和透光性。

附图说明

图1为本发明实施例3得到的氧化锆纳米陶瓷粉体场发射电子扫描显微镜图片；

图2为本发明实施例4得到的大型风力发电机陶瓷叶片的xrd图。

具体实施方式

本发明提供了一种大型风力发电机陶瓷叶片的制备方法，包括以下步骤:

将氧化锆、氧化钇、氧化铝、分散剂和水混合后球磨，得到球磨浆料；

将所述球磨浆料进行砂磨处理，得到砂磨浆料；

将所述砂磨浆料进行干燥处理，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

将所述氧化锆纳米陶瓷粉体压制成型，得到陶瓷叶片胚体；

将所述陶瓷叶片胚体进行焙烧，得到大型风力发电机陶瓷叶片。

本发明将氧化锆、氧化钇、氧化铝、分散剂和水混合后球磨，得到球磨浆料。

在本发明中，所述氧化锆、氧化钇和氧化铝的质量比优选为(942～952)：(48～58)：(1～5)，更优选为945：55：2、948：52：3或950：50：4。

在本发明中，所述分散剂优选包括聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚甲基丙烯酸氨和聚乙二醇中的一种或多种，所述分散剂的加入质量与氧化锆、氧化钇和氧化铝的总质量比优选为(0.2～1.0)：100，更优选为(0.4～0.8)：100，最优选为0.6：100。

在本发明中，所述球磨浆料的固含量优选为55～65％，更优选为58～62％，最优选为60％。

在本发明中，所述球磨优选在辊磨机或搅拌球磨机中进行；所述辊磨机的球磨转速优选为60～80r/min，球磨时间优选为12～15h，研磨体优选为粒径10～30mm的氧化锆球；所述搅拌球磨机的球磨转速优选为120～160r/min，更优选为140r/min，球磨时间优选为2～6h，更优选为4h，研磨体优选为粒径5～10mm的氧化锆球。

得到球磨浆料后，本发明将所述球磨浆料进行砂磨处理，得到砂磨浆料。在本发明中，所述砂磨处理的转速优选为2000～2500r/min，处理时间优选为2～6h，研磨介质优选为0.1～0.8mm的氧化锆珠，更优选为0.6～0.8mm、0.5～0.6mm、0.4～0.5m、0.3～0.4mm或0.1～0.2mm。在本发明中，所述砂磨处理能够将氧化物原料直接细化至100nm以下。

在本发明中，所述砂磨浆料的固含量优选为35～55％，更优选为40～50％，最优选为45％。

得到砂磨浆料后，本发明将所述砂磨浆料进行干燥处理，得到氧化锆纳米陶瓷粉体。在本发明中，所述干燥处理优选包括喷雾干燥、电热烘箱干燥、蒸发器干燥、离心脱水和压滤脱水中的一种或多种。本发明对所述干燥处理的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式、能够完全除去水分即可。在本发明的实施例中，所述喷雾干燥的雾化频率为45hz，进风温度240℃，出风温度90℃；所述电热烘箱干燥的温度为90℃，时间为12h；所述蒸发器干燥的温度为80℃，时间为8h。

得到氧化锆纳米陶瓷粉体后，本发明将所述氧化锆纳米陶瓷粉体压制成型，得到陶瓷叶片胚体。在本发明中，所述压制成型优选为浇注成型。

得到陶瓷叶片胚体后，本发明将所述陶瓷叶片胚体进行焙烧，得到大型风力发电机陶瓷叶片。在本发明中，所述焙烧的温度优选为1350～1520℃，更优选为1400～1490℃，最优选为1450℃，焙烧的时间优选为2～5h，更优选为2.5～4h，最优选为3h。

在本发明中，升温至所述焙烧的温度的升温速率优选为5℃/min。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的大型风力发电机陶瓷叶片，所述陶瓷叶片的密度为6.06～6.08g/cm³，硬度为14.75～15.27gpa，韧性为9.75～10.17mpa·m^1/2，三点弯曲强度为1201～1255mpa。

下面结合实施例对本发明提供的一种大型风力发电机陶瓷叶片及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1.以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，精确称取氧化锆为942份，氧化钇为58份，氧化铝1份，分散剂聚甲基丙烯酸氨为2份，加入蒸馏水，调节浆料固含量为55％，将物料通过搅拌球磨机球磨2h，研磨体为粒径5～6mm的氧化锆球，球磨转速为160r/min；

2.将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，调节浆料固含量为35％，继续砂磨6h，研磨体为粒径0.6～0.8mm的氧化锆珠，砂磨转速为2000r/min；

3.将砂磨后的浆料进行喷雾烘干，调节雾化频率为45hz，进风温度240℃，出风温度90℃，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

4.将氧化锆陶瓷粉体通过浇注成型，并将其于1350℃下焙烧5h，即得到大型风力发电机陶瓷叶片。

实施例2

1.以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，精确称取氧化锆为945份，氧化钇为55份，氧化铝2份，分散剂聚丙烯酸铵为4份，加入蒸馏水，调节浆料固含量为58％，将物料通过搅拌球磨机球磨4h，研磨体为粒径7～8mm的氧化锆球，球磨转速为140r/min；

2.将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，调节浆料固含量为40％，继续砂磨5h，研磨体为粒径0.5～0.6mm的氧化锆珠，砂磨转速为2100r/min；

3.将砂磨后的浆料直接经电热烘箱于90℃干燥12h，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

4.将氧化锆陶瓷粉体通过浇注成型，并将其于1400℃下焙烧4h，即得到大型风力发电机陶瓷叶片。

实施例3

1.以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，精确称取氧化锆为948份，氧化钇为52份，氧化铝3份，分散剂三聚磷酸钠为6份，加入蒸馏水，调节浆料固含量为60％，将物料通过搅拌球磨机球磨6h，研磨体为粒径9～10mm的氧化锆球，球磨转速为120r/min；

2.将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，调节浆料固含量为45％，继续砂磨4h，研磨体为粒径0.4～0.5mm的氧化锆珠，砂磨转速为2200r/min；

3.将砂磨后的浆料经蒸发器于80℃干燥8h，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

对本实施例得到的氧化锆纳米陶瓷粉体进行了场发射电子扫描显微镜检测，结果如图1所示。由图1可知，本实施例得到的氧化锆纳米陶瓷粉体粒径均匀，小于100nm。

4.将氧化锆陶瓷粉体通过浇注成型，并将其于1450℃下焙烧3h，即得到大型风力发电机陶瓷叶片。

实施例4

1.以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，精确称取氧化锆为950份，氧化钇为50份，氧化铝4份，分散剂六偏磷酸钠为8份，加入蒸馏水，调节浆料固含量为62％，将物料通过辊磨机球磨12h，研磨体为粒径10～20mm的氧化锆球，球磨转速为60r/min；

2.将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，调节浆料固含量为50％，继续砂磨3h，研磨体为粒径0.3～0.4mm的氧化锆珠，砂磨转速为2300r/min；

3.将砂磨后的浆料首先进行离心脱水，再经电热烘箱于90℃干燥5h，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

4.将氧化锆陶瓷粉体通过浇注成型，并将其于1490℃下焙烧2.5h，即得到大型风力发电机陶瓷叶片。

对本实施例得到的大型风力发电机陶瓷叶片进行了xrd检测，结果如图2所示。由图2可知，本实施例得到的大型风力发电机陶瓷叶片的物相结构为单一四方相结构，无其他杂相存在。

实施例5

1.以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，精确称取氧化锆为952份，氧化钇为48份，氧化铝5份，分散剂聚乙二醇为10份，加入蒸馏水，调节浆料固含量为65％，将物料通过辊磨机球磨15h，研磨体为粒径20～30mm的氧化锆球，球磨转速为80r/min；

2.将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，调节浆料固含量为55％，继续砂磨2h，研磨体为粒径0.1～0.2mm的氧化锆珠，砂磨转速为2500r/min；

3.将砂磨后的浆料首先进行压滤脱水，再经电热烘箱于90℃干燥5h，得到氧化锆纳米陶瓷粉体；

4.将氧化锆陶瓷粉体通过浇注成型，并将其于1520℃下焙烧2h，即得到大型风力发电机陶瓷叶片。

本发明对实施例1～5所得到的大型风力发电机陶瓷叶片的物理性能及透光率进行了检测，结果如表1所示。由表1可以看出，本发明制备得到的大型风力发电机陶瓷叶片致密，密度均达到6.06g/cm³以上，维氏硬度高于14.75gpa，韧性均超过了9.75mpa·m^1/2，明显高于目前市场上普遍应用的氧化钇稳定氧化锆陶瓷的韧性(6mpa·m^1/2左右)，三点弯曲强度高于1201mpa，透光率高于43，说明添加微量氧化铝后，通过本发明技术方案制备的大型风力发电机陶瓷叶片的力学性能和透光率均得到了提高。因此，采用该方法制备的风机叶片具有良好的物理化学和机械性能。

表1实施例1～5所得到的大型风力发电机陶瓷叶片的物理性能及透光率

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。