纳米晶球形陶瓷氧化物、合成方法及其应用技术

本发明专利技术涉及纳米晶球形陶瓷氧化物、合成方法及其应用。通过油包水乳液(W/O)的爆炸获得的这些氧化物，除了具有球形形态和纳米结晶性以外，还显示了一组补充特征，即晶粒尺寸小于40μm、双峰颗粒尺寸分布、高纯度、解聚作用和稳定的结晶阶段。这些特征使得这些粉末特别适于多种用途，例如涂覆方法、近终形方法，以及当粉末应用于陶瓷工业中时，提供具有特别高的机械阻力的致密和多孔陶瓷物体。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2008年9月26日，专利技术名称为“纳米晶球形陶瓷氧化物、合成方法及其应用”的中国专利申请200880115848.1的分案申请。
本专利技术涉及获得纳米晶球形陶瓷氧化物粉末的方法，其适用于高技术陶瓷领域。
技术介绍
不仅不同的成形和烧结方法而且还有用于获得具有新功能的粉末的方法和技术，已经在高技术陶瓷领域引起快速发展，以及在大范围内引起新的和具有前景的应用。通常，文献涉及的事实是，用于生产高性能陶瓷件的粉末的理想性能应该遵从下列要求：形态、颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、纯度、聚集状态、结晶相、晶粒尺寸和颗粒的内部结构。1.形态颗粒的球形度与粉末的堆积度相关，当颗粒是球形时，粉末的堆积度(packing degree)非常高，提供具有优异的排水能力、在最终尺寸上更高的精度和更好机械阻力的物体(object)。2.颗粒尺寸：0.1至10微米具有较小尺寸的颗粒显示更好的反应活性、允许温度和更短的烧结时间，很快提升的方法的收益性。3.尺寸分布类型双峰分布改善了颗粒的堆积度，颗粒的堆积度转化为较高的生坯密度值，因此有利于致密化阶段。4.纯度高纯度是陶瓷粉末中的一个基本要求，因为小百分含量的杂质就可以极大地影响机械性能、电性能、光学性能和磁性能。5.聚集状态聚集的粉末增加了内部孔隙，这些孔隙在烧结阶段中极难消除。6.结晶相如果粉末的结晶相是不稳定的，由于相变，在烧结过程中可能发生体积变化，由此在最终物体中产生缺陷。7.晶粒尺寸晶粒尺寸极大地影响机械性能、光学性能、电性能和磁性能。晶体的尺寸越小，物体的机械阻力就会越高。8.颗粒内部结构颗粒中的孔隙在烧结过程中非常难以消除，最终物体会显示较低的密度和机械性能。球形在陶瓷粉末中，颗粒的球形形态是非常重要的要求。众多原因如下：-在物体成形过程中，允许达到高的堆积密度(实际颗粒密度的60％)；-由于颗粒的高度规则的形状，粉末显示优异的排水特性，该特性对于粉末在近终形方法即在注射成形(CIM-陶瓷注射成形)和粉浆浇注中的应用是非常重要的；-颗粒的规则形状(由于其形态)允许烧结过程中的规则晶粒生长，导致在多个维度的均匀收缩，这在成形理论和最终物体所获得的容许偏差方面具有重要作用；-另一方面，当从球形颗粒开始，烧结过程之后，能够得到近似球形的孔，其提供具有更高机械阻力的最终陶瓷物体。由于主要氧化物的熔点超过2000℃的事实，所以致密的球形颗粒
主要通过少数方法(表1)获得，一度这种球形意味着在高于熔点的温度下合成。表1合成球形氧化物的方法方法粉末合成的难点气态等离子体中熔融和再凝固陶瓷粉末非常低的能效粉末团聚和喷雾干燥大颗粒尺寸(超过30微米)乳液或溶液燃烧的方法获得中空球体由于达到高于2000℃的温度的容易性和价格有效性，所以本专利技术中所公开的方法允许以高能效获得具有球形形态的致密粉末，因此克服了涉及现有技术的方法中的难点。晶粒尺寸陶瓷最终物体中晶体(晶粒)的尺寸将最终决定整体机械性能、光学性能、电性能和磁性能。该最终尺寸不仅取决于粉末中晶粒的原始尺寸，还取决于烧结循环中发生的晶粒增长。在大多数已知的方法中，通过热处理阶段(煅烧)，由各自金属的氢氧化物的转化获得氧化物粉末。例如，在拜耳(Bayer)方法中，无水氧化铝颗粒在回转煅烧炉中转变成氧化铝。高温下缓慢的热处理导致晶粒明显增长，很难得到小于0.5微米的晶体。在本专利技术所公开的方法中，由于高的冷却速率，陶瓷粉末晶体是纳米尺寸的，也就是说，小于100纳米。因此，通过本专利技术的方法获得的陶瓷氧化物粉末具有两个极其重要的特征：球形和具有高能效的纳米晶体。除了球形和纳米晶体特征以外，该方法还允许获得先前提到的其它特征，即小于40微米的颗粒尺寸、双峰颗粒尺寸分布、高纯度、完全团聚和具有致密结构的颗粒。例如在本专利技术中所称赞的，在高温高压下从油包水乳状液(W/O)的爆炸开始合成的纳米晶陶瓷氧化物的球形粉末，允许获得高机械阻
力的致密多孔的陶瓷物体。此外，粉体优异的排水能力使得它们特别适合于近终形方法，即注射成形、粉浆浇注和涂覆方法。爆炸是非常快速的绝热反应，其特征在于它同时在高温(约3000℃)和高压(约50Kbar)下发生。因此，根据化学元素的特征，假设大范围内的金属与氧气在气相中反应，其余的金属在液相中反应。因此，反应中存在一个特定时间，形成的产物(陶瓷氧化物)在那一刻为液相，仅仅稍后便转变成固相。一旦高温以低成本的方式获得，通过爆炸方法的氧化物合成以及可选择的方法具有优异的潜能。事实上，所有的产品(陶瓷氧化物)都在液相中合成，致使获得球形粉末。反应中达到的高压增强了更致密的晶相形成。由于在该合成方法中高压和高温的同时结合，通过爆炸合成的粉末还显示出不同于通常合成的粉末的机械性能、光学性能、磁性能、热性能和电性能。爆炸方法在具有特殊性能的材料合成中的应用可参考一组专利文献和公告，即：US 5855827描述了用于在不同基体上制备陶瓷涂层的循环方法。爆炸在含有极细粒度的金属悬浮液的气体混合物中发生。该专利技术的方法的突出之处在于W/O乳液在液相或固相中的使用，能够更好地控制氧化物的合成条件。EP 1577265公开了一种用于生产细氧化铝粉末的工业方法，不同于具有氧化剂的混合颗粒状的铝的爆炸的循环方法。该专利技术突出之处在于结合多种类型的金属前体(例如但不局限于：金属，硝酸盐，硫酸盐，乙酸盐)和控制合成氧化物的最终性能，即，球形和纳米结晶性。文献Fenglei H.,Yi T.,Shourong Y.,“Synthesis Mechanism and Technology of ultrafine diamond from detonation”-“Physics of the Sol id State”MAIK Nauka/Interper iodica ISSN 1063-7834
(Form)1090-6460(Onl ine)Vol.46,no.4,April 2004,p.616-619,公开了由富碳爆炸获得纳米金刚石粉体。本专利技术突出之处在于使用W/O富金属乳液或其盐用于生产具有球形和纳米晶体特征的氧化物。文献Chiganova,G.A.,“Detonation synthesis of ultrafine alumina”-“Inorganic Materials，MAIK Nauka/Interperiodica ISSN0020-1685(Form)1608-3172(Online)Vol.41no.5,May 2005,p.468-475,公开了在具有氧气的室内，利用来自爆炸的能量加速和氧化在非常精致的板上的铝，由此生产纳米氧化铝。在本专利技术中，主要通过爆炸法发生金属氧化，然而，在该文献中，铝随后在气体室中发生反应，由此获得具有结晶过渡相(不稳定)的氧化铝。在一组文献中，爆炸法可进一步称为相变方法，或者还被称为用于陶瓷粉末的压实/致密方法，该方法在冲击波之后发生，其中获得100％致密，取决于过程的速度，颗粒的生长最小化。必须指出的是，在此情况下，爆炸法是对传统烧结方法的一种替换方法，在本专利技术中，爆炸法是用于合成陶瓷粉末的方法。NL 1014199公开了添加到外筒(3)内本文档来自技高网...

【技术保护点】
粉末纳米晶球形陶瓷氧化物，包括：a)双峰颗粒尺寸分布；b)99.5％纯度；c)解聚集颗粒；d)稳定的结晶阶段；e)小于40μm的颗粒尺寸其中纳米晶球形陶瓷氧化物是致密颗粒。

【技术特征摘要】
2007.09.28 PT 1038381.粉末纳米晶球形陶瓷氧化物，包括：a)双峰颗粒尺寸分布；b)99.5％纯度；c)解聚集颗粒；d)稳定的结晶阶段；e)小于40μm的颗粒尺寸其中纳米晶球形陶瓷氧化物是致密颗粒。2.合成如权利要求1中所述的粉末纳米晶球形陶瓷氧化物的方法，其特征在于，该方法通过在高于氧化物熔点的C.J(Chapman,Jouguet)点的温度，通过控制油包水乳液(W/O)组成引爆乳液来实行，该乳液含有氧化剂相和燃料相和金属。3.根据权利要求2的合成陶瓷氧化物的方法，其特征在于，包含金属的油包水乳液(W/O)还含有溶解在其组合物中的金属盐。4.根据权利要求3的合成陶瓷氧化物的方法，其特征在于，溶解在乳液中的金属和金属盐选自以下成分：铝、硅、锆、硝酸锌、硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·卡拉多达塞尔瓦，E·M·多斯桑托斯安图纳斯，
申请(专利权)人：CUF公司联合工厂SGPS股份有限公司，
类型：发明
国别省市：葡萄牙;PT