一种纳米晶添加氧化铝陶瓷材料及低温液相烧结方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米晶添加氧化铝及低温液相烧结方法。其特征是在商用亚微米级α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］粉体中添加湿化学法制备的纳米晶氧化铝α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，用ＭｇＯ和ＳｉＯ↓［２］作为烧结助剂，于１４２０～１５００℃保温３ｈ烧结，可获得抗弯强度为３１４～４３７ＭＰａ，断裂韧性为３．０～４．３ＭＰａ.ｍ↑［１／２］的烧结体。纳米晶α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］的添加量为亚微米级α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］粉体质量的１０～３０％，引入的烧结助剂ＭｇＯ和ＳｉＯ↓［２］的添加量为混合粉体的３．０～５．０ｗｔ％；另一个特点是添加的烧结助剂ＭｇＯ，ＳｉＯ↓［２］是和商用亚微米级α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，纳米晶α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］一起球磨混合配制的。该方法不仅显著的降低了氧化铝陶瓷的烧结温度，并且具有较好的力学性能；同时对设备无特殊要求，工艺步骤简单，采用一般的纳米粉体和精细陶瓷制备工艺和设备即可。

Nano crystal addition alumina ceramic material and low temperature liquid phase sintering method

The invention relates to a nano crystal adding alumina and a low temperature liquid phase sintering method. The utility model is characterized in that the commercial submicron alpha Al: 2 O: 3 powder added in the wet chemical preparation of nanocrystalline alumina alpha Al: 2 O: 3, MgO: 2 and SiO as sintering aids, from 1420 to 1500 DEG C for 3h sintering, can obtain the flexural strength is 314 ~ 437MPa, the fracture toughness is 3 ~ 4.3MPa.m = 1 / 2, sintered body. The addition of nano crystal alpha Al: 2 O: 3 for submicron alpha Al: 2 O: 3 quality powder 10 ~ 30%, adding amount of sintering additives MgO and SiO introduced: 2 for the mixed powder of 3 ~ 5.0wt%; another feature is the addition of sintering additives MgO, SiO: 2 and commercial submicron alpha Al: 2: O 3 nanocrystals, alpha Al: 2 O: 3 mixed with ball milling. This method not only significantly reduced the sintering temperature of the alumina ceramics, and has good mechanical properties; at the same time, no special requirements on equipment, simple process, the nano powder and fine ceramic preparation process and equipment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于高性能陶瓷领域。
技术介绍
随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术、汽车工业等的发展，对材料的要求越来越苛刻，迫切需要开发出各种新型的高性能结构材料。氧化铝陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐腐蚀，并且具有良好的机电性能，广泛的应用于电子、机械、化工等行业。但是制备高性能氧化铝陶瓷，需要很高的烧结温度，生产成本很高。为了降低成本，实现陶瓷的低温烧结温度，通常引入MgO、SiO2、CaO或MAS、CAS、LAS等玻璃粉作为烧结助剂。本专利技术的专利技术人认识到单纯将MgO、SiO2作为烧结助剂引入到商业氧化铝粉体中，虽可促进其烧结致密化，但在降低烧结温度的同时也往往会造成氧化铝陶瓷抗弯强度和断裂韧性的降低(尤其是高温条件下)，因而使其应用范围大大受限制。于是考虑在加入烧结助剂的同时引入增强相，可使氧化铝烧结温度降低同时又能使氧化铝陶瓷保持较好的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米晶添加Al2O3及低温液相烧结方法，本专利技术提供的方法是通过在纳米晶添加的氧化铝中引入烧结助剂使氧化铝陶瓷在较低的温度下烧结，同时又具有较好的力学性能。本专利技术是在商用亚微米级α-Al2O3粉体中添加湿化学共沉淀法制备的纳米晶α-Al2O3，用MgO和SiO2作烧结助剂，低温烧结成Al2O3的陶瓷材料，纳米晶α-Al2O3均匀分布在大晶粒Al2O3的骨架中，起弥散增强的作用。经烧结材料的断口相分析，材料是由α-Al2O3、MgAl2O4、Al4.4Si1.2O9.6和Mg3Al2Si3O3相组成。所述的低温液相烧结的工艺步骤包括(1)纳米晶α-Al2O3粉体的制备是以分析纯的NH4Al(SO4)2·l2H2O，和分析纯的NH4HCO3，分别用去离子水配制成0.3M的NH4Al(SO4)2溶液和2.0M的NH4HCO3溶液，将NH4Al(SO4)2溶液缓慢滴入剧烈搅拌的含有表面活性剂(聚乙二醇，PEG1000)的NH4HCO3溶液中，表面活性剂的量为NH4HCO3溶液质量的1.5-3wt％，用NH4HCO3溶液调节pH值至7.0左右，获得的白色沉淀经12小时陈化后用去离子水洗涤3次以去除游离的无机离子，然后用无水乙醇洗涤2次以去除水分。所得的沉淀物经长时间抽滤后转移到90℃的烘箱干燥。在干燥的前驱体中加入1-3wt％颗粒尺寸约为50nm的α-Al2O3籽晶，以无水乙醇为介质，用高纯氧化铝磨球球磨24h，烘干后研磨过200目筛(75μm)，过筛的粉体在1100℃热处理2h，获得疏松的白色粉体。为了进行比较，制备了对比样品，与上述工艺完全相同，只是没有在沉淀法制备的前驱体中添加纳米α-Al2O3籽晶。有否添加纳米α-Al2O3籽晶的前驱体在1100℃热处理2h所得粉体的XRD图谱是不同的(图1)。添加少量粒晶的得到的仅含少量θ相的纳米Al2O3，其平均粒径为30-90nm；(2)本专利技术采用的主要原料为商用亚微米级α-Al2O3(纯度＞99％，上海吴淞化肥厂生产)；(3)引入的烧结助剂MgO、SiO2的添加量是按照MgO-Al2O3-SiO2玻璃的低共熔点组分配制，MgO为烧结助剂质量的25～50％，SiO2为烧结助剂质量的50～75％。烧结助剂MgO、SiO2均采用外加方式，总的添加量为基体Al2O3的3.0～5.0wt％(4)α-Al2O3原料按以下配比称量商用α-Al2O3为90～70wt％，由步骤(1)制备的纳米晶α-Al2O3为10～30wt％；低于10wt％显示不出纳米晶降低烧结温度的作用，高于30wt％则增加制作成本，所以以10-30wt％为宜； (5)将以上原料和烧结助剂按步骤(3)和(4)所述的比例配料，以无水乙醇为介质，三者均匀混合后用高纯氧化铝磨球球磨10～30h，干燥后过200目筛(约75μm)。制备的粉体经钢模单轴50～100MPa成型后，再用200～300MPa等静压成型。样品在硅钼棒为发热体的高温炉中进行无压烧结，升温速率为3～10℃/分钟，在1420～1500℃温度下烧结，保温时间为3-5h，然后随炉冷却。最佳烧结温度为1420～1450℃，1500℃烧结的材料相对密度虽然高于1450℃，但显微结构分析可知细小的Al2O3晶粒消失，转化为氧化铝打晶粒。(建实施例7-9)所以应低于1450℃，又节能，又能体现低温活化烧结的特点。本专利技术有以下优点(1)采用工艺简单的沉淀法制备Al2O3前驱体，利用α-Al2O3籽晶降低转相温度，在1100℃热处理得到几乎纯相的α-Al2O3纳米粉体；(2)可以通过简单的机械混合、成型和无压烧结工艺制备氧化铝陶瓷，设备和工艺简单，降低了制备成本；(3)在1420～1450℃无压烧结氧化铝陶瓷材料，降低了烧结温度，降低了能耗；(4)本专利技术所述的低温烧结的氧化铝陶瓷材料具有优良的抗弯强度和断裂韧性。附图说明图1(a)为实施例1(添加2wt％α-Al2O3籽晶)的XRD图谱，图1(b)为比较例1样品(未添加α-Al2O3籽晶)的XRD图谱。由XRD图谱可知，不添加纳米α-Al2O籽晶的粉体中Al2O3存在θ，α两相，添加纳米α-Al2O3籽晶的粉体中Al2O3已基本上完全转化成α相(含少量θ-Al2O3)。图2为实施例1氧化铝陶瓷样品的断口显微结构照片，从图中可以看出，细小氧化铝晶粒比较均匀的分布在大晶粒的骨架中，能够起到弥散增强的作用。图3为实施例5氧化铝陶瓷样品的断口显微结构照片，从图中可以看出，细小氧化铝晶粒均匀分布在大晶粒的骨架中，大晶粒与小晶粒的尺寸相差不大。图4为实施例8氧化铝陶瓷样品的断口显微结构照片，从图中可以看出，氧化铝陶瓷双晶粒尺寸结构消失，全部为氧化铝大晶粒。具体实施例方式实施例1先制取纳米晶α-Al2O3粉体，其方法是222.0g分析纯的NH4Al(SO4)2·12H2O，160.0g分析纯的NH4HCO3，分别用去离子水配制成0.3M的NH4Al(SO4)2溶液和2.0M的NH4HCO3溶液，将NH4Al(SO4)2溶液缓慢滴入剧烈搅拌的含有表面活性剂(聚乙二醇，PEG1000)的NH4HCO3溶液中，表面活性剂的量为NH4HCO3溶液质量的2.0wt％，用NH4HCO3溶液调节pH值至7.0左右，获得的白色沉淀经12小时陈化后用去离子水洗涤3次以去除游离的无机离子，然后用无水乙醇洗涤2次以去除水分。所得的沉淀经长时间抽滤后转移到90℃的烘箱干燥。在干燥的前驱体中加入2wt％颗粒尺寸约为50nm的α-Al2O3籽晶，以无水乙醇为介质，用高纯氧化铝磨球球磨24h，烘干后研磨过200目筛，过筛的粉体在1100℃热处理2h，获得疏松的白色粉体。为了进行比较，我们制备了对比样品，与上述工艺完全相同，只是没有在沉淀法制备的前驱体中添加纳米α-Al2O3籽晶。图1为有否添加纳米α-Al2O3籽晶的前驱体在1100℃热处理2h所得粉体的XRD图谱。80.0g的商用α-Al2O3粉体，20.0g的上述共沉淀法制备的纳米晶α-Al2O3粉体，1.67g的商用MgO粉体，3.33g的商用SiO2粉体。加入150ml无水乙醇，300g市售的高纯氧化铝磨球，在氧化铝球磨罐中球磨24h。在90℃的烘箱干燥后过200目筛，用钢模单向轴向压力100本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米晶添加氧化铝陶瓷材料，其特征在于亚微米级α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］粉体中添加纳米晶α－氧化铝，纳米晶α－氧化铝粉体的添加量为亚微米级α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］的１０－３０ｗｔ％，纳米晶α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］均匀分布在大晶粒α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］的骨架中，起弥散强化作用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李江，潘裕柏，郭景坤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]