專利名稱：納米氧化釔穩(wěn)定的四方相氧化鋯多晶材料的低溫燒結(jié)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用納米氧化鋯粉體、低溫燒結(jié)得到納米氧化鋯晶粒且高強高韌、Y2O3含量為1.5～3mol％的四方氧化鋯多晶體(Y-TZP)材料的制備方法，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領域。
納米Y-TZP材料是指其晶粒尺寸在100納米以內(nèi)的材料。通過往Y-TZP粉料中加入一定的添加劑，變固相燒結(jié)為液相燒結(jié)，可以顯著低降低燒結(jié)溫度。用低溫燒結(jié)的方法制備納米Y-TZP材料，可以降低2Y-TZP材料的生產(chǎn)成本，拓展應用范圍。同時，由于燒結(jié)溫度低及添加劑對晶粒生長的阻礙作用，納米氧化鋯晶粒，在燒結(jié)過程中晶粒未得到充分長大，燒結(jié)后得到的材料，其晶粒尺寸仍處于納米級。由于晶粒小，細晶強化的作用使該材料具有較高的強度。因此，低溫燒結(jié)得到的納米Y-TZP材料都具有較高的強度。該制備方法尤其適用于2Y-TZP材料的制備。2Y-TZP作為Y-TZP材料的一種，由于穩(wěn)定劑少，在固相燒結(jié)條件下，晶粒尺寸大(1～3μm)，在燒結(jié)過程后的冷卻過程中，常會有一些四方相氧化鋯轉(zhuǎn)變成單斜相，相變過程中伴隨的體積膨脹，使材料表面產(chǎn)生裂紋，嚴重的甚至會進裂，基本上不能作為結(jié)構(gòu)材料來用。因此，有關2Y-TZP材料用于結(jié)構(gòu)材料鮮有報道。細晶粒使2Y-TZP完全可以在有約束的條件下，在室溫下保存下來而不產(chǎn)生裂紋和進裂。如果晶粒大小范圍選擇合適，納米2Y-TZP材料的粒徑在室溫無約束條件下的臨界相變尺寸和室溫有約束條件下的臨界相變尺寸之間，使四方相氧化鋯以亞穩(wěn)的形式保持到室溫，那么，相變增強增韌的作用就依然得以發(fā)揮。由于2Y-TZP的穩(wěn)定劑含量低，只要四方相氧化鋯能保持到室溫，它的相變增韌的效果就很明顯。因此，納米2Y-TZP材料在具有較高的抗彎強度的同時，還具有較好的斷裂韌性。
本發(fā)明提供的低溫燒結(jié)，是通過在Y-TZP粉料中添加鈣-鋁-硅系列(CAS)的玻璃粉作為液相燒結(jié)的燒結(jié)助劑，CAS玻璃粉的加入量必須在一定的范圍，其加入量為0.5～3％(質(zhì)量)。
下面就燒結(jié)添加劑CAS粉料的制備和Y-TZP材料的制備作詳細闡述。
1.燒結(jié)添加劑——CAS粉料的制備作為添加劑的CAS粉料是利用熔融玻璃法制備的。具體步驟為將一定質(zhì)量比為1∶3～5∶3～5的CaO，SiO2，和Al2O3用氧化鋯球，球磨混合24h，然后在1500℃下保溫4h，熔融后，在水中淬火，得到透明的CAS玻璃。把CAS玻璃粉碎到一定尺寸(＜1mm)后，放入球磨筒中，用氧化鋯球球磨72h。為防止結(jié)晶以及提高混合效率，球磨過程中都添加去離子水作為分散介質(zhì)。烘干，經(jīng)120目篩過篩后，即可作為燒結(jié)助劑用。CAS玻璃粉料中CaO是以CaCO3的形式加入的。CAS玻璃粉料的加入量對降低Y-TZP粉料的燒結(jié)溫度是至關重要的。低于0.5％則降低溫度作用不夠明顯，且難以均勻分散；超過3％(質(zhì)量)則可使燒結(jié)溫度降低，但性能，尤其是材料的高溫性能受影響，所以以加入0.5～3％(質(zhì)量)為宜，最好為1～2％(質(zhì)量)。
2.納米Y-TZP材料的制備以公知的共沉淀法制得的超細Y-TZP粉料為原料，(其中位粒徑為0.5～4μm)，Y2O3的加入量為1.5～3mol％，以CAS粉料為添加劑，加入的含量為Y-TZP粉料的0.5～3wt％，用氧化鋯球和去離子水，濕磨24h。在80℃下烘干，經(jīng)120目過篩后，加入1～3％(質(zhì)量)PVA粘結(jié)劑，加入量是以Y-TZP粉料為基數(shù)計算，PVA是固體粉末，加入時最好先制成10％或低于10％的溶液，用水浴方法，加熱水溶液，再逐漸加入PVA固體粉末，使之全部溶解，而又不會使溶液溫度超過100℃，然后混勻、烘干，經(jīng)40目篩過篩?；旌虾玫姆哿舷仍?00MPa下干壓，然后再在250MPa下進行等靜壓。最后在不同的燒結(jié)溫度下燒結(jié)(1350℃～1450℃)，并保溫1～3h后爐冷至室溫。
本發(fā)明提供的低溫燒結(jié)法制備納米高強高韌Y-TZP材料的特點是1.制備的納米Y-TZP材料的晶粒尺寸在60～120nm范圍；2.生產(chǎn)工藝簡單、對生產(chǎn)設備的要求低、成本低。由于燒結(jié)溫度僅1350～1450℃，對燒結(jié)爐爐襯的要求比較低，而且爐襯的使用壽命而得以延長，因此對生產(chǎn)設備要求低，成本也得到降低；3.得到的納米Y-TZP材料具有良好的綜合力學性能，強度高，韌性好?？箯潖姸葹?20～960MPa，Kic＝9.5～9.8MPa·m1/2。特別適合于低成本制備出綜合性能優(yōu)越的2Y-TZP材料，為2Y-TZP材料的推廣應用創(chuàng)造了條件。
圖2為以本方法制得的納米2Y-TZP材料的掃描電鏡照片。
圖3為以本方法制得的納米2Y-TZP材料的拋光面和斷口的X射線衍射照片。圖中表明在拋光面上沒有單斜相氧化鋯存在，說明由于氧化鋯的晶粒，使四方相氧化鋯完全可以保持到室溫。圖中還表明在斷口上有明顯的單斜相存在，說明相變增韌作用是該材料具有較高韌性的主要原因。
具體實施例方式
用下列非限制性實施事例進一步說明實施方式和效果實施例1在共沉淀制得的2Y-TZP粉料中為加入1wt％CAS添加劑(CaO，Al2O3，SiO2配比為1∶4∶4)，用ZrO2球和去離子水濕溫24小時，80℃烘干，過120目篩選，加入相當于3％PVA干粉量的10％濃度PVA溶液，混勻烘干，先100MPa預成型，然后250MPa成型，在1400℃下保溫2小時得到的2Y-TZP材料，圖2為該材料的掃描電鏡的照片，晶粒尺寸約為80nm。說明采用該種方法，完全可以制備得到納米2Y-TZP材料。經(jīng)測試，該材料的抗彎強度為900MPa，斷裂韌性為9.5MPa·m1/2，表明該材料具有良好的綜合力學性能。該材料的拋光面和斷口的X衍射的照片(如圖3所示)。
實施例2燒結(jié)助劑CAS粉料的加入量為2wt％，其CaO，Al2O3，SiO2配比為1∶3∶5，PVA加入量為2％，1350℃下保溫3小時燒結(jié)。其余條件同實施例1。經(jīng)測試，該材料的抗彎強度為820MPa，斷裂韌性為9.7MPa·m1/2。
實施例3在實施例1的基礎上，用3Y-TZP粉料代替2Y-TZP粉料，其他條件與例1完全相同，燒結(jié)得到3Y-TZP材料。該材料的抗彎強度為965MPa。
權(quán)利要求
1.一種納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，包括添加劑的選擇和Y-TZP納米粉料的制備干壓成型，其特征在于Y2O3穩(wěn)定劑為1.5～3mol％的Y-TZP納米粉料加入0.5～3％(質(zhì)量)的鈣-硅-鋁玻璃粉為燒結(jié)添加劑，于1350～1450℃，保溫1～3小時。
2.按權(quán)利要求1所述的納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，其特征在于所述燒結(jié)添加劑鈣-硅-鋁玻璃粉的組成為CaO∶SiO2∶Al2O3＝1∶3～5∶3～5(質(zhì)量比)。
3.按權(quán)利要求1所述的納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，其特征在于1.5～3mol％的Y-TZP納米粉料的中位粒徑為(0.5～4μm)。
4.按權(quán)利要求1所述的納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，其特征在于所述的Y-TZP納米粉料為2mol％Y2O3穩(wěn)定的Y-TZP粉料。
5.按權(quán)利要求1所述的納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，其特征在于燒結(jié)添加劑CAS的加入量為1～2％(質(zhì)量)。
6.按權(quán)利要求1或3所述的納米Y-TZP材料的低溫燒結(jié)方法，其特征在于干壓成型時的粘結(jié)劑為PVA，加入量為Y-TZP粉料的1～3％(質(zhì)量)；干壓采用100MPa預成型后，再200MPa等靜壓成型。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低溫燒結(jié)條件下,利用納米晶粒的粉體,制備得到納米晶粒、高強高韌Y－TZP材料的方法,屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領域。其特征在于(1)利用化學純CaO,Al
文檔編號C04B35/486GK1382662SQ02110868
公開日2002年12月4日 申請日期2002年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月20日
發(fā)明者孫義海, 張玉峰, 郭景坤 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所