一种ZTA陶瓷材料、其制备方法及陶瓷制品技术

本申请公开了一种陶瓷材料，所述陶瓷材料包括ZTA基质和掺杂在所述ZTA基质中的机械发光材料。在ZTA材料中添加机械发光材料，以应力诱导发光为机理，通过发光的形式消耗部分外力，提升材料的韧性和强度。

A ZTA ceramic material, its preparation method and ceramic products

【技术实现步骤摘要】
一种ZTA陶瓷材料、其制备方法及陶瓷制品
本专利技术涉及一种陶瓷材料，尤其涉及一种具有高韧性和高强度的陶瓷材料、其制备方法及应用。
技术介绍
ZTA陶瓷材料为通过氧化锆增韧氧化铝，获得高韧性和高强度，应用领域非常广泛。其机理为在外力刺激下氧化锆发生马氏体相变，从四方相转变为单斜相，通过相变消耗外力；同时相变伴随体积增大，引起微裂纹，通过微裂纹扩散消除应力，提升材料的韧性。即应力诱导相变机理和微裂纹机理。业内又在此基础上，通过添加Cr2O3、SiC及其它添加剂来改善力学性能，但很难从本质上提高。急需新的增韧方式从本质上提升ZTA以及其它陶瓷材料性能。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供一种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，还提供了所述陶瓷材料的制备方法和应用场景。该陶瓷材料通过在ZTA材料中添加机械发光材料，以应力诱导发光为机理，通过发光的形式消耗部分外力，提升材料的韧性和强度。所述陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括ZTA基质和掺杂在所述ZTA基质中的机械发光材料。可选地，以ZTA基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中机械发光材料的掺杂量为0.001wt％～30wt％。可选地，以ZTA基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中机械发光材料的掺杂量为0.001wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.8wt％、1wt％、1.5wt％、30wt％中的任意值以及任意两个值之间的范围值。可选地，所述ZTA基质包括氧化铝和钇稳定的氧化锆；其中，钇占稳定氧化锆总量的摩尔比为1％-5％。可选地，氧化铝和钇稳定的氧化锆的重量比为80:20、90:10、85:15、70:30中的任意比值及任意两个比值之间的范围值。可选地，所述机械发光材料选自机械力诱导发光材料中的至少一种。优选地，所述机械力包括拉力、压力、弯曲力、撞击力、摩擦力、超声波中的至少一种。可选地，所述机械发光材料选自SrAl2O4体系、ZnS体系、Ca2Al2SiO7体系、ZnGa2O4体系、MgGa2O4体系、ZnAl2O4体系、ZrO体系、Ca,BaTiO3体系、CaZnOS体系、ZnO体系中的至少一种。优选地，所述机械发光材料选自ZnO纳米颗粒、ZnS:Mn2+、SrAl2O4:Eu2+、BaTiO3:Pr3+、CaZnOS:Eu2+、CaTiO3:Pr3+、Ca2Al2SiO7:Ce3+中的至少一种。可选地，所述陶瓷材料中还包括添加剂；所述添加剂包括Cr2O3、SiC、镧系元素、MgO、SiO2、Co3O4中的至少一种。本领域技术人员根据需要选择添加剂。优选地，以ZTA基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中添加剂的添加量为0.05wt％～5wt％。根据本专利技术的另一方面，提供一种所述陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：将含有ZTA基质的前驱体和机械发光材料的原料混合，烧结，得到所述陶瓷材料。可选地，所述含有ZTA基质的前驱体和机械发光材料的原料的混合方式包括球磨、砂磨、混料、分散中的至少一种。可选地，所述烧结包括气氛烧结、气压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、热等静压烧结中的至少一种。作为一种实施方式，按照设定质量比称取Al2O3、ZrO2、MLM、添加剂等。通过高效分散，将上述原料混合均匀，获得混合均匀的浆料。混合方式包括球磨、砂磨、混料、分散等。混合介质可以是无水乙醇或者去离子水，可依据混料情况添加分散剂。将所获混匀浆料高温烘干、研磨、过筛等，获得ZTA-MLM陶瓷粉体。依据产品需求选择陶瓷成型方式，包括干压成型、冷等静压注射成型、凝胶成型、流延成型等业内常用成型方法，以获得陶瓷素坯。将所获陶瓷素坯，进行高温烧结，烧结方式包括：气氛烧结、气压烧结、热压烧结、放电等离子烧结及热等静压烧结等，以获得所需陶瓷半成品。具体烧结方式依据MLM物化性能选择合适的烧结工艺，如含ZnS:Mn体系的MLM，需在还原气氛中烧结。选择合适的烧结方式以提升ZTA-MLM陶瓷材料致密度。将陶瓷半成品进行后续精加工，获得所需高性能产品。根据本申请的又一方面，提供一种陶瓷制品，所述陶瓷制品由上述任一项所述的陶瓷材料、根据上述任一项所述的方法制备得到的陶瓷材料制成。可选地，所述陶瓷制品包括高压喷嘴、陶瓷劈刀、人工关节。本申请中，“ZTA”，是指氧化锆增韧氧化铝；“MLM”，是指机械发光材料。本申请能产生的有益效果包括：1)本专利技术提供了一种通过将外力转换为光能的形式消耗部分应力，以提高陶瓷材料性能，其具有较好的韧性和较高的强度。2)本专利技术还提供了该陶瓷材料的制备方法，该方法简便易行，适于工业化生产。3)本专利技术提供了该陶瓷材料的应用场景，可用于制作高压喷嘴、陶瓷劈刀、人工关节等，具有广泛的应用前景。附图说明图1为ZTA-MLM陶瓷晶粒示意图。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均通过商业途径购买。本申请中，钇稳定的四方相ZrO2为从商业购买。本申请的实施例中分析方法如下：利用荧光光谱仪(HitachiF-7000)和力致发光测试系统进行发光性能分析。力致发光测试系统由施力仪器和光信号收集仪器联用，施力仪器包括摩擦磨损试验机、万能试验机等，光信号收集通过配有CCD照相机的光谱仪(Omin-λ300i)原位检测产生的机械发光光谱。利用万能试验机(5985万能试验机，美国Instron)进行力学性能分析。实施例1ZTA-ZnO陶瓷材料，其中ZnO纳米颗粒(粒径为20nm)为MLM，在受力情况下其发光波长为560nm左右。制备过程如下：1、称取Al2O380g，3mol％钇(钇的摩尔数为ZrO2摩尔数的3％)稳定的四方相ZrO220g，ZnO0.1g，Cr2O30.5g；2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；4、使用干压成型，进行200MPa冷等静压，获得陶瓷劈刀素坯；5、将陶瓷素坯在1550℃下，空气中保温5h，获得陶瓷样品；6、将该样品在1450℃下，200MPa热等静压，获得高致密陶瓷样品；7、将该样品在1100℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得陶瓷劈刀半成品；8、将该半成品进行抛光等精加工，获得陶瓷劈刀产品。该陶瓷劈刀产品通过ZnO发光消耗外力大幅度提高使用寿命，在邦定机上正常工作时，键合次数超过300万次，由于掺杂Cr2O3，陶瓷呈现紫粉色。实施例2ZTA-ZnS陶瓷材料，其中ZnS:Mn2+为MLM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括ZTA基质和掺杂在所述ZTA基质中的机械发光材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括ZTA基质和掺杂在所述ZTA基质中的机械发光材料。


2.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，以ZTA基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中机械发光材料的掺杂量为0.001wt％～30wt％。


3.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述机械发光材料选自机械力诱导发光材料中的至少一种；
优选地，所述机械力包括拉力、压力、弯曲力、撞击力、摩擦力、超声波中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述机械发光材料选自SrAl2O4体系、ZnS体系、Ca2Al2SiO7体系、ZnGa2O4体系、MgGa2O4体系、ZnAl2O4体系、ZrO体系、Ca,BaTiO3体系、CaZnOS体系、ZnO体系中的至少一种；
优选地，所述机械发光材料选自ZnO纳米颗粒、ZnS:Mn2+、SrAl2O4:Eu2+、BaTiO3:Pr3+、CaZnOS:Eu2+、CaTiO3:Pr3+、Ca2Al2SiO7:Ce3+中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，周志龙，罗朝华，刘泽华，刘永福，蒋俊，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33