纳米晶α‑Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米晶α‑Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法。颗粒尺寸1‑3μmα‑Al2O3在复合材料中占70‑80vol％，非化学计量比氮化钛(TiNX，0.3≤X≤0.6)在复合材料中占20‑30vol％，将两种原料通过行星式球磨机高能球磨，转速450rpm，球磨时间30‑60h；混合粉料进行放电等离子烧结，烧结温度1300‑1500℃，保温10‑20min。本发明专利技术高能球磨后的粉料达到纳米级且两物料高度分散，纳米TiNx弥散分布在纳米α‑Al2O3颗粒周围，烧结过程中，更有效起到钉扎作用，TiNx存在N空位缺陷，促进α‑Al2O3烧结扩散，降低烧结温度。Al2O3材料的抗热震性和烧结性能得到显著改善。

Preparation method of nano crystalline alpha Al2O3 and titanium nitride composite material

The invention relates to a preparation method of a nano crystalline alpha Al2O3 and titanium nitride composite material. The particle size of 1 3 m alpha Al2O3 accounted for 70 of 80vol% in the composite, non stoichiometric titanium nitride (TiNX, X = 0.3 ~ 0.6) accounted for 20 of 30vol% in composite materials, two kinds of raw materials through the planetary mill high energy ball milling speed 450rpm, milling time of 30 60H were; spark plasma sintering the mixed powder, the sintering temperature of 1300 1500 C, 10 insulation 20min. The invention of powder milling nanoscale materials and two highly dispersed TiNx nanoparticles dispersed around the nano Al2O3 particles, sintering process, play a more effective pinning effect, TiNx N vacancy defects, promote the sintering of Al2O3 alpha diffusion, reduce the sintering temperature. The thermal shock resistance and sintering properties of Al2O3 have been greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种复合材料领域，特别是涉及一种纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法。
技术介绍
Al2O3作耐火材料存在两大问题：其一，由于A12O3的热膨胀系数大，弹性模量高，以A12O3为主晶相的制品的抗热震性较差，显微结构对材料的抗热震性能有着重要的影响。提高材料抗热震性能的方法主要有：(1)热膨胀失配；(2)颗粒弥散；(3)氧化锆相变增韧；(4)纤维/晶须增韧增强；(5)原位生长自增强增韧；(6)纳米颗粒增韧增强。其二，A12O3键的结构决定了纯A12O3陶瓷的烧成温度极高，即A12O3的烧结性差。材料的烧结温度高，必然带来生产成本的增加。将原料细化，甚至达到纳米级，或采用快速烧结这种特殊烧结方法，可改善材料的可烧结性。基于上述分析，将Al2O3制备成纳米材料，可同时改善其抗热震性和烧结性。但是，单纯将Al2O3制备成纳米粉，采用快速烧结方法，效果并不理想。例如，学位论文《高能球磨法制备Al2O3纳米颗粒》(兰州大学硕士研究生学位论文；作者：朱天飞；2013.5)利用高能球磨法制备Al2O3纳米粉，将CoO和Al按化学计量比配比后多加20wt％Al混合，球料比为50:1，转速为250rpm球磨20h，得到颗粒尺寸达15nm的高纯纳米粉；采用常规单轴冷压成型方法，将此纳米粉在587MPa的压强下成型为直径为8mm，厚度为0.5mm的圆形小片，然后在1450℃烧结5h，烧结后晶粒尺寸100-500nm，相对密度96.25％。学位论文《TiO2与Al2O3超细陶瓷材料的等离子体烧结制备工艺研究》(中南大学硕士论文；周果君；2002.6)利用SPS快速烧结技术，将机械球磨法制备的纳米Al2O3(平均粒径为34nm)在烧结温度1400℃、保温耐5min、压力30MPa条件下，制备出相对理论密度达97％，晶粒尺寸为200-500nm的Al2O3陶瓷。温度在1300℃之前时样品烧结收缩率变化很小，当烧结温度达到1800℃时，密度几乎达到理论密度的99％。可见，要想得到理论密度＞98％而晶粒尺寸＜100nm的纳米Al2O3材料，单纯通过烧结纯纳米Al2O3粉或提高烧结速率是比较困难的。分析原因主要有二。(1)快速烧结原理使材料的致密度不高。若想获得理想的致密度，可提高烧结温度，但同时必然使得晶粒长大。(2)高纯Al2O3纳米粉在烧结时，由于Al2O3颗粒间相互连接，使得晶界迁移阻力小，晶粒长大速率快。若存在第二相，对晶界迁移起到钉扎作用，可抑制晶粒长大，且分散程度越高效果越好。但是，目前有关纳米Al2O3复合材料的研究成果中存在诸多问题。例如，中国专利(CN106554560A)提供了一种高纯纳米Al2O3复合材料，增强相分布均匀，无团聚现象。但是，氧化镁、氧化钙、铁氧体的引入，必然对材料的高温性能带来不利影响。中国专利(CN105295451A)公开一种粘结性和强度较好的高岭土-纳米Al2O3复合材料的制备方法，但其中添加了磷酸二氢钠和磷酸铝，也会影响材料的高温性能。文献《α-Al2O3纳米颗粒的低温制备与其烧结特性的研究》(兰州大学硕士论文；郭瑞雲；2016.6)将沉淀法制备出的α-Al2O3纳米颗粒(平均颗粒尺寸为9nm、尺寸分布为2-27nm)，采用两步烧结法得到了致密α-Al2O3纳米晶陶瓷平(均晶粒尺寸为55nm)，但是其中残留了部分的辅助相α-Fe2O3，这同样会影响到材料的高温性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法，该专利技术促进两相物料高度分散，充分发挥第二相的钉扎作用，抑制晶粒长大，实现纳米颗粒增韧增强，促进Al2O3的烧结扩散。本专利技术降低Al2O3材料的烧结温度，改善其抗热震性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1选择粒度为1-3μm的α-Al2O3，α-Al2O3在所述复合材料中体积分数为70-80％，非化学计量比氮化钛(TiNX，0.3≤X≤0.6)在复合材料中体积分数为20-30％；步骤2按步骤1中按比例将上述两种粉料称量，装入行星式球磨机罐中，操作过程要在充满氩气的手套箱内完成；球磨罐和研磨介质均为WC材质，球料比为20:1，磨球的质量为800g，球径3-9mm，大中小球的比例为3:1:1；球磨机的转速为450rpm；球磨时间为30-60h，每2h停机30min散热；步骤3将步骤2获得的纳米级粉料装入石墨磨具中，在液压机上简单预压，压力为2MPa；步骤4将步骤3获得的组装块置于等离子放电烧结机的烧结室中的Z轴压头之间，在真空(真空度为6-9×10-3Pa)条件下，以压力40MPa、升温速度100℃/min、温度1300-1500℃，在此温度压力下保持10-20min进行烧结；步骤5完成后卸除压力并自然冷却至＜60℃，取出组装块，清除杂物，获得纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料。所述高能球磨后的混合粉料达到纳米级(＜30nm)。所述纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料相对密度＞98％，纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料块体中α-Al2O3晶粒尺寸为50-100nm。本专利技术的有益效果是：该专利技术经过高能球磨后的粉料达到纳米级(＜30nm)，促进烧结，降低烧结温度。高能球磨后的两相物料高度分散，纳米TiNx弥散分布在纳米α-Al2O3颗粒周围，烧结过程中，更加有效的起到钉扎作用，抑制晶粒长大，获得纳米晶α-Al2O3(50-100nm)，实现纳米颗粒增韧增强。非化学计量比TiNx存在N空位结构缺陷，促进Al2O3的烧结扩散，降低烧结温度。具体实施方式实施例1步骤1选择粒度约为3μm的α-Al2O3，非化学计量比氮化钛(TiN0.3)；其中，α-Al2O3体积比为80％，TiN0.3体积比为20％。步骤2按步骤1中比例将两种粉料称量，装入行星式球磨机罐中，此操作过程要在充满氩气的手套箱内完成。球磨罐和研磨介质均为WC材质；球料比为20:1，磨球的质量为800g，球径3-9mm，大中小球的比例为3:1:1；球磨机的转速为450rpm；球磨时间为30h，每2h停机30min散热。步骤3将步骤2获得的纳米粉料(平均粒径25nm)装入石墨磨具中，在液压机上简单预压，压力约为2MPa。步骤4将步骤3获得的组装块置于等离子放电烧结机的烧结室中的Z轴压头之间，在真空条件(真空度为6-9×10-3Pa)以压力40MPa、升温速度100℃/min升至温度1350℃，在此温度压力下保持20min进行烧结。步骤5完成后卸除压力并自然冷却至60℃以下，取出组装块，清除杂物，获得纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料。所得纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料相对密度98.89％，α-Al2O3晶粒尺寸约67nm。实施例2步骤1选择粒度约为3μm的α-Al2O3，非化学计量比氮化钛(TiN0.3)；其中，α-Al2O3体积比70％，TiN0.3体积比为30％。步骤2按步骤1中比例将两种粉料称量，装入行星式球磨机罐中，此操作过程要在充满氩气的手套箱内完成。球磨罐和研磨介质均为WC材质；球料比为20:1，磨球的质量为800本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米晶α‑Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法，其特征是：所述复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤1选择粒度为1‑3μm的α‑Al2O3，α‑Al2O3在所述复合材料中体积分数为70‑80％，非化学计量比TiNX(0.3≤X≤0.6)在复合材料中体积分数为20‑30％；步骤2按步骤1中按比例将上述两种粉料称量，装入行星式球磨机罐中，操作过程要在充满氩气的手套箱内完成；球磨罐和研磨介质均为WC材质，球料比为20:1，磨球的质量为800g，球径3‑9mm，大中小球的比例为3:1:1；球磨机的转速为450rpm；球磨时间为30‑60h，每2h停机30min散热；步骤3将步骤2获得的纳米级粉料装入石墨磨具中，在液压机上简单预压，压力为2MPa；步骤4将步骤3获得的组装块置于等离子放电烧结机的烧结室中的Z轴压头之间，在真空度为6‑9×10

【技术特征摘要】
1.一种纳米晶α-Al2O3和氮化钛复合材料的制备方法，其特征是：所述复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤1选择粒度为1-3μm的α-Al2O3，α-Al2O3在所述复合材料中体积分数为70-80％，非化学计量比TiNX(0.3≤X≤0.6)在复合材料中体积分数为20-30％；步骤2按步骤1中按比例将上述两种粉料称量，装入行星式球磨机罐中，操作过程要在充满氩气的手套箱内完成；球磨罐和研磨介质均为WC材质，球料比为20:1，磨球的质量为800g，球径3-9mm，大中小球的比例为3:1:1；球磨机的转速为450rpm；球磨时间为30-60h，每2h停机30min散热；步骤3将步骤2获得的纳米级粉料装入石墨磨具中，在液压机上简单预压，压力为2MPa；步骤4将步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔丽娜，
申请(专利权)人：河北建材职业技术学院，
类型：发明
国别省市：河北,13