一种低温快速烧成高强氧化铝陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低温快速烧成高强氧化铝陶瓷及其制备方法，其中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料由粗晶Al2O3粉，纳米Al2O3粉和烧结助剂构成，烧结助剂为SiO2粉、滑石粉和石灰石粉；其制备方法是将纳米氧化铝粉部分取代粗晶氧化铝，进行混合分散先预压成型，再采用200-300MPa冷等静压成型，然后将成型后试样在马弗炉中于400-600℃排胶30-60min，最后采用微波烧结法低温快速烧结得到高强度氧化铝陶瓷。本发明通过部分纳米氧化铝粉代替粗晶氧化铝粉，并结合微波烧结工艺，可以在较低温度和短时间内实现氧化铝陶瓷的快速烧结，能耗小，节约成本。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种氧化铝陶瓷及其制备方法，具体地说是一种低温快速烧成高强氧化铝陶瓷及其制备方法。

二、背景技术

氧化铝陶瓷是一类重要的高温结构陶瓷，机械强度高、硬度大、耐腐蚀、耐磨损、电阻率大，广泛应用于电子、化工、机械等领域。但是，氧化铝陶瓷的脆性在很大程度上限制了其应用范围。同时氧化铝陶瓷的烧结温度高，易导致晶粒异常生长，也影响材料力学性能。近年来纳米陶瓷的出现，为上述问题的解决带来了新的希望，氧化铝陶瓷纳米化及纳米复合是目前改善其力学性能的途径之一。对于纳米陶瓷而言，烧结是极其关键的一步。

目前，氧化铝陶瓷材料的烧结方法主要有：常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及等离子烧结等。其中，常压烧结方法的烧成温度高、周期长、能耗大，材料致密度低，、力学性能差；其它烧成方法虽然可以克服常压烧结氧化铝陶瓷的缺陷，但成本高、能耗大，不适宜工业化规模生产。

三、发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种低温快速烧成高强氧化铝陶瓷及其制备方法，以期获得制备工艺简单、能耗小、在短时间内能够获得较高致密度氧化铝陶瓷的技术效果，降低氧化铝陶瓷烧结温度、缩短烧结时间，并提高氧化铝陶瓷的强度和断裂韧性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的特点是按质量百分比由以下组份组成：

粗晶Al₂O₃粉60-95％；纳米Al₂O₃粉5-40％；

烧结助剂：SiO₂粉、滑石粉和石灰石粉，所述烧结助剂的添加量为粗晶Al₂O₃粉和纳米Al₂O₃粉质量总和的3-6％；其中SiO₂粉占所述烧结助剂质量的40-45％，滑石粉占所述烧结助剂质量的45-50％，余量为石灰石粉。

本发明低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的特点在于：所述粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径为0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径为10-30nm。

本发明低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的制备方法的特点是按如下步骤操作：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将所述混合物放入球磨罐中，以无水乙醇为溶剂，湿球磨5-10小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量3-7％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，所述粒料过100目筛，随后以20-40MPa的压力常温预压得预压成型料，再将所述预压成型料以200-300MPa的成型压力常温冷等静压成型得成型料；将所述成型料进行脱胶处理，得脱胶成型料；

c、烧结

将步骤b所得脱胶成型料置于微波烧结炉中进行烧结。

本发明低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的制备方法的特点也在于：所述步骤a中球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球。

本发明低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的制备方法的特点也在于：所述步骤b中的脱胶处理是在马弗炉中以3-6℃/min的升温速率升温至400-600℃后保温30-60min。

本发明低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的制备方法的特点也在于：所述步骤c中的微波烧结是以20-40℃/min的升温速率升温至1400-1600℃后保温10-30min。

与已有技术相比，本发明优点体现在：

1、本发明利用纳米氧化铝部分取代粗晶氧化铝，有效改善了氧化铝陶瓷的烧结性能和力学性能，拓展了其应用领域。

2、本发明采用微波烧结工艺，快速的加热速度和独特的加热机理，有利于提高致密化速率并有效抑制晶粒异常生长，可以解决烧结过程中纳米陶瓷粉体晶粒异常长大而对材料结构和性能的不利影响。

四、附图说明

图1是本发明制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的SEM照片。

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例中不添加纳米Al₂O₃粉制备氧化铝陶瓷以作对比。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉100g；

烧结助剂：SiO₂粉1.6g，滑石粉2g，石灰石粉0.4g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石粉和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨10小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量4％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以30MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以300MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以4℃/min的升温速率升温至400℃后保温60min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于微波烧结炉中以20℃/min的升温速率升温至1500℃后保温30min。

本实施例制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的断裂韧性为3.02MPa.m^1/2，抗弯强度为233.28MPa。

实施例2：

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉60g；纳米Al₂O₃粉40g；

烧结助剂：SiO₂粉1.35g，滑石粉1.35g，石灰石粉0.3g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨5小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量7％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以30MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以200MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以3℃/min的升温速率升温至600℃后保温50min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于微波烧结炉中以20℃/min的升温速率升温至1500℃后保温20min。

本实施例制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的断裂韧性为3.58MPa.m^1/2，，抗弯强度为253.16MPa。

实施例3：

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉70g；纳米Al₂O₃粉30g；

烧结助剂：SiO₂粉2.4g，滑石粉3g，石灰石粉0.6g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨8小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量6％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以20MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以250MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以3℃/min的升温速率升温至500℃后保温60min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于微波烧结炉中以20℃/min的升温速率升温至1400℃后保温30min。

本实施例制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的断裂韧性为3.21MPa.m^1/2，，抗弯强度为239.06MPa。

实施例4：

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉80g；纳米Al₂O₃粉20g；

烧结助剂：SiO₂粉2.15g，滑石粉2.25g，石灰石粉1.6g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨5小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量4％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以30MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以300MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以3℃/min的升温速率升温至500℃后保温45min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于微波烧结炉中以30℃/min的升温速率升温至1500℃后保温30min。

本实施例制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的断裂韧性为4.15MPa.m^1/2，抗弯强度为295.41MPa。

实施例5：

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉90g；纳米Al₂O₃粉10g；

烧结助剂：SiO₂粉1.6g，滑石粉2g，石灰石粉0.4g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中低温快速烧成高强氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨8小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量4％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以40MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以250MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至600℃后保温30min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于微波烧结炉中以40℃/min的升温速率升温至1600℃后保温10min。

本实施例制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的断裂韧性为3.87MPa.m^1/2，，抗弯强度为284.41MPa。

实施例6：

本实施例采用箱式高温烧结炉烧结氧化铝陶瓷以作对比。

本实施例中氧化铝陶瓷的原料按质量百分比构成为：

粗晶Al₂O₃粉80g；纳米Al₂O₃粉20g；

烧结助剂：SiO₂粉1.6g，滑石粉2g，石灰石粉0.4g；

其中粗晶Al₂O₃粉的中位径D₅₀粒径是0.6-1.0μm，纳米Al₂O₃粉的粒径是10-30nm。

本实施例中氧化铝陶瓷是按如下步骤制备得到的：

a、磨料

将粗晶Al₂O₃粉、纳米Al₂O₃粉、SiO₂粉、滑石和石灰石粉经混合得混合物，将混合物放入行星球磨机中，使用聚四氟乙烯球磨罐，研磨介质为氧化锆球，以无水乙醇为溶剂，湿球磨10小时，将球磨得到的浆料经干燥后过100目筛得球磨料；

b、成型

向步骤a所得的球磨料中掺入占所述球磨料质量4％的聚乙烯醇作为粘结剂进行造粒得粒料，将粒料过100目筛，随后以20MPa的压力预压得预压成型料，再将预压成型料以300MPa的成型压力冷等静压成型得成型料；将成型料置于马弗炉中以4℃/min的升温速率升温至400℃后保温60min脱去粘结剂，得脱胶成型料；

c、烧结

将脱胶成型料置于高温箱式烧结炉中至1600℃后保温120min。

本实施例制备的氧化铝陶瓷的断裂韧性为3.78MPa.m^1/2，，抗弯强度为285.58MPa。

附图1是本发明样品的SEM照片，用日立S-3000N型号的扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌。从图1中可以看到，氧化铝颗粒间呈结晶状，表明烧结良好。从样品的断口形貌观察，细小晶粒均匀分布在大晶粒的骨架中。材料在断裂过程中，以沿晶断裂方式为主，细小均匀的晶粒有利于提高氧化铝陶瓷的断裂韧性和强度。

由实施例1-6制备的低温快速烧成高强氧化铝陶瓷的力学性能的数据可以看出：纳米氧化铝粉部分取代粗晶氧化铝粉，并采用微波烧结工艺，降低了烧结温度，缩短了烧结时间，改善了氧化铝陶瓷的断裂韧性及抗弯强度。

表1本发明实施例氧化铝陶瓷的性能

注：MS：微波烧结法；CS：高温箱式炉烧结法