复相导电陶瓷材料及其制备方法技术

本申请公开了一种复相导电陶瓷材料，所述复相导电陶瓷材料由基相和导电相组成；其中，基相为ZrO3‑Al2O3，导电相为TiC。通过热压烧结的方法获得的该复相导电陶瓷材料相对密度大于为99％，硬度为5～15GPa，电导率为0.3～10

Complex phase conductive ceramic materials and their preparation methods

The invention discloses a conductive ceramic material, wherein the conductive ceramic material is composed of base and conductive phase composition; wherein the base phase is ZrO3 Al2O3, the conductive phase is TiC. The relative density of the composite ceramic material obtained by hot pressing sintering is 99%, the hardness is 5 ~ 15GPa, and the conductivity is 0.3 ~ 10.

【技术实现步骤摘要】
复相导电陶瓷材料及其制备方法
本申请涉及一种复相导电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷材料领域。
技术介绍
导电陶瓷是指在一定条件(温度、压力)下具有电子(或空穴)电导或离子电导的陶瓷。导电陶瓷属于新型功能特种陶瓷，是一类基础性材料，既有陶瓷的各种性质，如抗氧化性、耐高温、耐腐蚀、低成本、机械性能好等特点，又具有金属态的导电特性。其电阻率可以在较大范围内调整，因此在许多特殊环境与场合得到应用，如现代国防和国民经济，在镀铝工业用的蒸发舟、高速列车的受电弓、固体燃料电池电极、气敏元件、电火花加工等诸多领域，是其他材料所不能比拟的。目前，国内外学者主要致力于复相导电陶瓷的研究。复相导电陶瓷是通过掺杂外来物质制备出许多新的材料，其导电机理有两种，一种是由物相变化引起载流子浓度的改变的导电陶瓷，另一种是由掺杂的物理相连接构成导电通道的导电陶瓷(J.Eur.Ceram.Soc.,2001,21,2089-2093)。通过掺杂形成的导电陶瓷的导电机理又分为以下三种，分别是非半导体电子/离子导电机理、半导体导电机理及连通导电型导电机理。连通导电相型导电陶瓷是通过掺杂外来导电相或掺杂物形成有效的导电通道为电子的转移提供有效的途径，一般情况下以非导电相为基体，掺杂导电相物质，烧制成具有耐高温、低电阻率及高致密度的导电陶瓷。王红霞等人以AlN中掺杂TiB2和SiC烧结制备了AlN-TiB2复相导电陶瓷，导电率达1526μΩ·cm。当TiB2添加量较少时，TiB2颗粒分散在复相陶瓷中，使得烧制品电阻较大；当TiB2添加量增加时，原来分散的TiB2颗粒开始连接起来，极大地增加了其导电性(ManufacturingAutomation,2005,3,137-139)。目前导电陶瓷多以Si3N4和AlN等非氧化物陶瓷为基体，而以ZrO2或Al2O3等氧化物陶瓷为基体的复相导电陶瓷的研究鲜有报道。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种复相导电陶瓷材料，该陶瓷材料具有优异的导电性能和机械性能，具有良好的电火花加工性能。所述复相导电陶瓷材料由基相和导电相组成；其中，基相为ZrO3-Al2O3，导电相为TiC。优选地，所述基相中Zr元素和Al元素的摩尔比为1:5～1:2。优选地，所述基相中Zr元素和Al元素的摩尔比为1:4.8、1:4.5、1:4.2、1:4、1:3.8、1:3.5、1:3.2、1:3、1:2.8、1:2.5或1:2.2。本领域技术人员可根据实际需要，选择基相和导电相的配比。优选地，基相中Zr元素与导电相中Ti元素的摩尔比为1：0.71～5.78。优选地，所述复相导电陶瓷材料的相对密度大于99％，硬度为5～15GPa，电导率为0.3～104S/m。进一步优选地，所述复相导电陶瓷材料的相对密度为99.5％～99.7％。进一步优选地，所述复相导电陶瓷材料的硬度为8.65～11.43GPa。进一步优选地，所述复相导电陶瓷材料的电导率为0.3～12.6S/m。更进一步优选地，所述复相导电陶瓷材料的电导率为2.6～12.6S/m。所述复相导电陶瓷材料可用于电火花加工，以期改善其复杂形状的加工能力。所述相对密度是指陶瓷材料的实测密度与理论密度的比值。本申请的另一个方面，提供了制备所述的复相导电陶瓷材料的方法，至少包括以下步骤：将含有ZrO2、Al2O3、TiC的复合粉体在惰性氛围下进行热压烧结，得到复相导电陶瓷材料。作为一种优选地实施方式，所述复合粉体由ZrO2、Al2O3和TiC经球磨混合得到；所述球磨混合的条件为：以水和/或乙醇为溶剂，球磨介质的直径为2～5mm，球料比为5:1～10:1，球磨混合时间为4～48小时。优选地，所述球磨混合的优选条件为：以乙醇为溶剂，以99瓷氧化铝球为球磨介质，其直径为5mm，球料比为8:1，在行星式球磨机上混合12小时。优选地，所述ZrO2是纯度＞98％，粒径＜20μm的ZrO2粉体；所述Al2O3是纯度＞98％，粒径＜10μm的Al2O3粉体；TiC是纯度＞98％，粒径＜20μm的TiC粉体。优选地，所述ZrO2粉体、Al2O3粉体与TiC粉体的体积比例为：(ZrO2粉体+Al2O3粉体):TiC粉体＝1～9:1；以各自所含有的Zr元素和Al元素的摩尔数计，ZrO2粉体与Al2O3粉体的摩尔比例为Zr：Al＝1：2～5。进一步优选地，所述ZrO2粉体、Al2O3粉体与TiC粉体的体积比例(ZrO2粉体+Al2O3粉体):TiC粉体范围下限选自50:50、55:45、60:40、65:35，上限选自70:30、75:25、80:20、85:15或90:10。进一步优选地，以各自所含有的Zr元素和Al元素的摩尔数计，ZrO2粉体与Al2O3粉体的摩尔比例为Zr：Al范围下限选自1:4.8、1:4.5、1:4.2、1:4、1:3.8，上限选自1:3.5、1:3.2、1:3、1:2.8、1:2.5或1:2.2。优选地，所述混合粉体在热压烧结之前进行过筛；其中，筛网的目数为70～150目；筛网为尼龙或不锈钢筛网。优选地，所述过筛采用100目的尼龙筛网。优选地，所述混合粉体在过筛之前进行干燥。所述惰性氛围选自氩气、氦气、氖气中的至少一种。优选地，所述热压烧结的条件为1500～1600℃，15～40MPa的条件下烧结1～4小时。进一步优选地，所述热压烧结的条件为1600℃，30MPa的条件下烧结2小时。优选地，所述热压烧结过程中采用程序升温；其中，升温速率为1～10℃/min。进一步优选的，升温速率为5℃/min。优选地，所述混合物置于模具中进行热压烧结；其中，模具的直径为20～75mm。优选地，所述模具为石墨模具。进一步优选地，所述模具为内壁涂覆氮化硼(简写为BN)的直径为25mm的石墨模具。优选地，本申请以ZrO2-Al2O3氧化物陶瓷为基体，通过加入导电相TiC，通过热压烧结制备出ZrO2-Al2O3-TiC复相导电陶瓷，使其成为良好的导体，具备良好的电火花加工性能，以期进一步改善其复杂形状的加工能力。本申请能产生的有益效果包括：1)本申请所提供的复相导电陶瓷材料，其显微结构致密、粒径小、性能优良且价格便宜。2)本申请所提供的复相导电陶瓷材料的制备方法，具有工艺简单，容易实现，原料成分可调、有利于改善材料的电火花加工能力、在复相导电陶瓷材料的制备方面具有实际的应用价值等优势。3)本申请所提供的复相导电陶瓷材料，具有相对密度大于99％，硬度为5～15GPa，电导率为1～104S/m，可实现良好的电火花加工性能等优点。附图说明图1为1#的XRD衍射图谱。图2为1#的SEM图。具体实施方式下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。如无特别说明，本申请的实施例中的原料通过商业途径购买。本申请的实施例中分析方法如下：利用理学公司的MiniFlex600X射线衍射仪进行物相结构分析。利用厦门群隆仪器有限公司的GH-300C密度仪进行相对密度测试。利用上海光学仪器一厂的HX-100TM显微硬度计进行机械性能测试。利用广州四探针科技公司的RTS-9型四探针测试仪进行电导率测试。本申请的实施例中体积分数计算如下：基体相体积分数＝基体相体积/(基体相体积+导电相体积)×100％。导电相体积分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复相导电陶瓷材料，其特征在于，所述复相导电陶瓷材料由基相和导电相组成；其中，基相为ZrO3‑Al2O3，导电相为TiC。

【技术特征摘要】
1.一种复相导电陶瓷材料，其特征在于，所述复相导电陶瓷材料由基相和导电相组成；其中，基相为ZrO3-Al2O3，导电相为TiC。2.根据权利要求1所述的复相导电陶瓷材料，其特征在于，所述复相导电陶瓷材料的相对密度大于99％，硬度为5～15GPa，电导率为0.3～104S/m；优选地，所述复相导电陶瓷材料的相对密度为99.5％～99.7％；优选地，所述复相导电陶瓷材料的硬度为8.65～11.43GPa；优选地，所述复相导电陶瓷材料的电导率为0.3～12.6S/m。3.制备权利要求1或2所述的复相导电陶瓷材料的方法，其特征在于，将含有ZrO2、Al2O3、TiC的复合粉体在惰性氛围下进行热压烧结，得到复相导电陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述复合粉体由ZrO2、Al2O3和TiC经球磨混合得到；所述球磨混合的条件为：以水和/或乙醇为溶剂，球磨介质的直径为2～5mm，球料比为5:1～10:1，球磨混合时间为4～48小时；所述球磨混合的优选条件为：以乙醇为溶剂，以99瓷氧化铝球为球磨介质，其直径为5mm，球料比为8:1，在行星式球磨机上混合12小时。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述ZrO2是纯度＞98％，粒径＜20μm的Zr...

【专利技术属性】
技术研发人员：周有福，陈彩云，王志光，许文涛，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35