一种磷酸锆陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种磷酸锆陶瓷材料的制备方法，即：（１）制备磷酸锆粉体：先将液体磷酸直接与氧化锆陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为２∶１；再进行热处理，使氧化锆与磷酸充分反应生成磷酸锆；然后对磷酸锆进行煅烧、球磨、干燥、过筛处理即可。（２）用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，与磷酸锆粉体均匀混合。（３）使混合物干压成型。（４）将成型混合物进行冷等静压处理，制得坯体。（５）将坯体在１１００～１５００℃空气中常压烧结，保温１～５小时，即得磷酸锆陶瓷材料。本发明专利技术工艺简单、可重复性好、成本较低，而且所制备的磷酸锆陶瓷材料具有高致密度、较高力学（抗弯）强度和低介电常数与介电损耗等优异性能。

Process for preparing zirconium phosphate ceramic material

The invention provides a preparation method of zirconium phosphate ceramic materials, namely: (1) preparation of zirconium phosphate powder: first direct liquid phosphoric acid and zirconia ceramic powder mixing, two of the weight ratio of 2: 1; followed by heat treatment, make full reaction of zirconium oxide and phosphoric acid zirconium phosphate; then the zirconium phosphate calcining, ball milling, drying and sieving can be. (2) use Magnesium Oxide, alumina and silicon oxide as sintering aids, and mix with zirconium phosphate powder evenly. (3) make the mixture dry pressing. (4) the molding mixture is treated by cold isostatic pressing, and the blank body is obtained. (5) the ceramic body is sintered at atmospheric temperature of 1100~1500 DEG C at atmospheric temperature for 1~5 hours, and then zirconium phosphate ceramic material is obtained. The invention has the advantages of simple process, good repeatability and low cost, and the prepared zirconium phosphate ceramic material has the advantages of high density, high mechanical (bending) strength, low dielectric constant and dielectric loss, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种磷酸锆粉体的合成与陶瓷的制备方法。
技术介绍
近年来，耐高温的高强度、高稳定的低膨胀氧化物陶瓷材料成为新型陶瓷材料的研究热点，磷酸锆陶瓷正是在此基础上兴起的一种高技术新型陶瓷材料。因为由磷酸锆粉料可以制备得到高强度、耐高温、致密稳定的低膨胀磷酸锆陶瓷，可拓宽低膨胀陶瓷材料的应用范围，故受到陶瓷材料界的广泛关注。磷酸锆陶瓷作为一种性能优异、前景广阔的新型陶瓷材料，其潜在应用可广泛分布于化工、电子、军事等。研究发现，磷酸锆陶瓷除了具有高强度、耐高温、抗热震、低膨胀等优良的综合性能，还具有较低的介电常数与介电损耗，因而拓展了其应用范围和应用领域，当材料的介电常数小于10，介电损耗低于1×10-2，可以作为透波材料使用。因此，研究磷酸锆陶瓷材料的介电性能，尤其是能够制备介电常数小于10，介电损耗低于1×10-2的磷酸锆陶瓷，为其能够在透波材料领域找到新的应用具有重大的现实意义。目前关于磷酸锆陶瓷粉体的制备普遍采用的是化学共沉淀方法，即利用氧氯化锆(ZrOCl2)与磷酸反应生成磷酸一氢锆(Zr(HPO4)2)沉淀，经煅烧后得到磷酸锆(ZrP2O7)粉体。这种方法制备得到的磷酸锆粉体纯度较高，但是其使用的原料和工艺成本高，不利于批量生产。需要研究一种成本低廉、易于实现的制备纯度较高的磷酸锆粉体的新方法，氧化锆(ZrO2)为工业原料，成本较低，研究氧化锆与磷酸直接反应合成磷酸锆粉体有较强的现实意义。磷酸锆陶瓷的制备存在两大技术难点一是纯磷酸锆陶瓷不易致密化烧结，易形成多孔结构，纯磷酸锆在1600℃也很难烧结，1600℃以上磷酸锆发生缓慢的分解，所以磷酸锆陶瓷的烧结温度应当控制在1600℃以下，降低磷酸锆的烧结温度并形成致密的结构主要是通过添加能形成磷酸盐高熔点液相的金属氧化物来实现，常见的用于烧结磷酸锆的烧结助剂主要有ZnO、MgO、Nb2O5、Ta2O5、TiO2、Al2O3、SiO2、锆英石(ZrO2-SiO2)等。二是磷酸锆陶瓷的力学强度较低，由于在高温区间出现个别晶粒异常长大，热膨胀的各向异性而导致产生微裂纹，使强度大幅度下降。磷酸锆材料在1400℃以后，随着温度的升高，其晶粒加速长大，特别是长时间的保温受热，晶粒长得更大，产生的微裂纹更多，虽然其热膨胀系数下降，但也带来负面效果，导致强度下降。如添TiO25wt.％的磷酸锆材料在1600℃烧结30分钟，其抗折强度只有50MPa。考虑到上述两大难点并出于对材料介电性能的考虑，在烧结高致密度的磷酸锆陶瓷时，选用MgO、Al2O3、SiO2作为烧结助剂不会对烧成材料的介电性能有较大影响。MgO是一种很好的助熔剂，它与Al2O3在较低的温度形成低共熔化合物，能够起到助熔促进磷酸锆烧结的作用；SiO2作为添加剂与磷酸锆复合，其主要有两种作用一是SiO2具有抑制磷酸锆晶粒异常生长的效果；二是SiO2与磷酸锆不反应，且石英属于低热膨胀系数的材料，热膨胀系数为2×10-7℃-1，与磷酸锆的匹配性较好。通过对国内外专利与文献的查新结果表明还没有关于使用磷酸与氧化锆直接反应合成磷酸锆陶瓷粉体，并通过选用氧化镁、氧化铝和氧化硅作为烧结助剂烧结致密磷酸锆陶瓷材料的报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供，该方法简便易行，能够制备具有优异性能且成本较低的磷酸锆陶瓷，以满足市场需求。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案包括磷酸锆粉体的制备和磷酸锆陶瓷的烧结，具体如下(1)制备磷酸锆粉体先将液体磷酸直接与氧化锆陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为2∶1，制得样品；再将样品进行热处理，使氧化锆与磷酸充分反应生成磷酸锆；然后对磷酸锆进行煅烧、球磨、干燥、过筛处理，即得磷酸锆粉体。(2)使用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，与磷酸锆粉体均匀混合，制得混合物。(3)通过干压方式使混合物成型。(4)将成型混合物进行冷等静压处理，制得坯体。(5)将坯体在1100～1500℃空气中常压烧结，保温1～5小时，即得磷酸锆陶瓷材料。本专利技术利用磷酸与氧化锆完全反应并生成磷酸锆这样一种合成机理制备纯度较高的磷酸锆陶瓷粉体，该方法具有工艺简单易行、原料成本低、可重复性好、合成的粉体纯度较高、粒径较小等特点。由于合成出的单纯的磷酸锆陶瓷不易烧结，而且磷酸锆在高温区间晶粒异常长大，由于各向异性的热膨胀而导致产生微裂纹，使强度大幅度下降，所以烧结磷酸锆陶瓷需要添加烧结促进剂和晶粒抑制剂。通过添加MgO、Al2O3助熔剂，SiO2晶粒抑制剂并调配其组分的配比，可以制备出具有高致密度、较高力学(抗弯)强度，以及低介电常数(介电常数＜10)与介电损耗(介电损耗＜1×10-2)的磷酸锆陶瓷材料。总之，本专利技术工艺简单、可重复性好、成本低，而且所制备的磷酸锆陶瓷材料具有高致密度、较高力学(抗弯)强度和低介电常数与介电损耗等优异性能。附图说明图1是本专利技术工艺流程示意图。图2为实施例1产物断口的XRD(X射线衍射)图。图3为实施例1产物的光学显微镜图。图4为实施例2产物断口的SEM(扫描电镜)图。图5为实施例3产物断口的SEM图。图6为实施例4产物断口的SEM图。图7为实施例5产物断口的SEM图。具体实施例方式本专利技术提供了一种磷酸锆陶瓷材料的新型制备方法，即先在较低的温度下合成出磷酸锆粉体，然后对粉体进行煅烧、球磨、干燥、过筛处理，通过添加氧化镁、氧化铝、氧化硅烧结助剂并调配不同的配比，经冷等静压、高温烧结处理，制成性能优异且成本较低的磷酸锆陶瓷材料。本专利技术提供的磷酸锆陶瓷材料是按下述步骤进行(1)制备磷酸锆粉体先将液体磷酸直接与氧化锆陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为2∶1，制得样品；再将样品进行热处理，使氧化锆与磷酸充分反应生成磷酸锆；然后对磷酸锆进行煅烧、球磨、干燥、过筛处理，即得磷酸锆粉体。在制备磷酸锆粉体过程中，可采用重量浓度为85％的液体磷酸，以及纯度大于99.9％、粒径小于0.5μm的氧化锆陶瓷粉料。在250～500℃和保温1～5小时条件下，将样品热处理。(2)使用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，与合成得到的磷酸锆粉体均匀混合，制得混合物。氧化镁、氧化铝的掺杂量为0～5％，氧化硅的掺杂量为0～2％。氧化镁、氧化铝和氧化硅的纯度大于99.9％，粒径小于0.5μm。(3)通过干压方式使混合物成型。干压成型压力为5～20Mpa。(4)将成型混合物进行冷等静压处理，制得坯体。冷等静压处理压力为100～400Mpa。(5)将坯体在1100～1500℃空气中常压烧结，升温速率为50～200℃/小时，保温1～5小时，即可制得介电常数小于10和介电损耗小于1×10-2的磷酸锆陶瓷材料。上述磷酸锆粉体的制备可按下述步骤进行(1)将热处理后的样品在600～1000℃空气中进行煅烧。(2)将煅烧后的样品装入玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为溶剂、玛瑙球为研磨介质，球磨12～48小时。(3)将球磨后的粉体干燥后，过100目筛。下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供了一种新型磷酸锆粉体的合成、处理与磷酸锆陶瓷烧结工艺，其工艺流程如图1所示包括采用磷酸与氧化锆高纯细粉直接反应合成磷酸锆粉体的工序，磷酸锆粉体的煅烧、球磨、干燥、过筛处理的工序以及磷酸锆粉体与烧结助剂的混合、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磷酸锆陶瓷材料的制备方法，包括磷酸锆粉体的制备和磷酸锆陶瓷的烧结，其特征是按下述步骤进行：（１）制备磷酸锆粉体：先将液体磷酸直接与氧化锆陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为２∶１，制得样品，再将样品进行热处理，使氧 化锆与磷酸充分反应生成磷酸锆，然后对磷酸锆进行煅烧、球磨、干燥、过筛处理，即得磷酸锆粉体，（２）使用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，与磷酸锆粉体均匀混合，制得混合物，（３）通过干压方式使混合物成型，（４） 将成型混合物进行冷等静压处理，制得坯体，（５）将坯体在１１００～１５００℃空气中常压烧结，保温１～５小时，即得磷酸锆陶瓷材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张联盟，沈强，陈斐，刘英虎，王传彬，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]