一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法，该方法采用分析纯99.5％的ZnO粉末，取浓度为2mol/L，添加比～10wt％醋酸溶液与ZnO粉料进行混合，充分研磨均匀，倒入石墨模具，施加3.8

【技术实现步骤摘要】
一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法


[0001]本专利技术涉及ZnO陶瓷的制备方法，特别涉及一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法。

技术介绍

[0002]ZnO由于禁带宽度窄，约为3.37eV，且具有大量的点缺陷如锌填隙、氧空位等，是一种典型的N型半导体，常用作压敏、气敏、热电以及光学等器件的基础材料而被广泛研究。通常，为了使ZnO陶瓷具有高的致密度和一定的机械性能，烧结温度需要在1000℃以上。然而，高的烧结温度会造成高的能耗，既不经济也不环保。另外，高的烧结温度会导致晶粒的过分长大，晶粒尺寸难以控制。高的烧结温度还会造成ZnO功能陶瓷的液相挥发，比如ZnO压敏陶瓷富铋相的挥发，导致晶界性能劣化，非线性系数下降等。
[0003]近年来，低温快速烧结成为了国内外研究的热点，人们逐渐开发出多种新的烧结技术，诸如热压烧结(Hot pressing sintering),液相烧结(Liquid sintering)，微波烧结(Microwave sintering)，闪烧(Flashing sintering)，放电等离子体烧结(Spark plasma sintering,SPS)和冷烧结(Cold sintering process,CSP)。其中，SPS具有高的升温速率(可达100℃/min)，可使陶瓷的烧结致密化温度比传统烧结方法下降数百摄氏度，比如SPS烧结ZnO陶瓷，在750℃烧结20min即可达到其理论密度的95％。液相也是陶瓷低温烧结的关键因素之一，Guillon等通过SPS对比研究了干燥的ZnO粉末和潮湿的ZnO粉末的烧结过程，发现采用SPS快速升温(100/min)，受潮的纳米(20～50nm)粉末在400℃烧结10min后，致密度可达95％以上，并认为OH
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可能在陶瓷的致密化过程中起了关键作用。Luo等人也发现水分在ZnO陶瓷的闪烧过程中起着重要作用，采用水分辅助闪烧(Water
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assisted flashing sintering)，仅需30s即可使ZnO的致密度达到98％，但闪烧的过程中需要对试样施加200V/cm的场强和0.6W/mm3的功率，使试样在烧结的过程中内部温度维持在1100℃以上。尽管如此，这些方法的烧结温度仍然较高，得到的ZnO陶瓷的致密度也不是很理想。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种温度低，烧结时间短，外施压力小的放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法，制备出高致密度的ZnO陶瓷。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于放电等离子体辅助冷烧结制
[0006]备ZnO陶瓷的方法，包括如下步骤：
[0007]S1：采用分析纯99.5％的商用ZnO粉末，取浓度为0.5
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3mol/L，添加比5
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20wt％醋酸溶液与ZnO粉料进行混合；
[0008]S2：将S1中的混料充分研磨均匀，倒入石墨模具；施加1
‑
50MPa压力，保压1
‑
5min后，在真空环境下，开始以30
‑
100℃/min的速率升温，加热至120
‑
300℃进行烧结，并保温1
‑
15min，得到ZnO陶瓷。
[0009]作为改进，所述S1中醋酸溶液的浓度为2mol/L。
[0010]作为改进，：所述S2中升温速率为50
‑
100℃/min。
[0011]作为改进，所述S2中所述施压的压力为5
‑
50MPa。
[0012]作为改进，所述S2烧结的温度为200
‑
300℃，保温时间为5
‑
15min。
[0013]相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：
[0014]本专利技术采用放电等离子辅助冷烧结的方式，对本专利技术方法产生了如下巨大的影响：
[0015]1)放电等离子辅助冷烧结对ZnO陶瓷低温快速烧结起到重要作用，可在160℃使ZnO陶瓷致密度达95％以上，200℃度即可完成致密化。
[0016]2)采用放电等离子体辅助冷烧结，ZnO陶瓷致密度致密化过程中施加的压力仅为1
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50MPa，不到普通冷烧结的1/10。
[0017]3)采用放电等离子体辅助冷烧结，只需1
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15min即可实现ZnO陶瓷致密度致密化。
[0018]4)采用放电等离子体辅助冷烧结，ZnO陶瓷在致密化的过程中，可避免晶粒尺寸的过分长大，致密度达98％以上时，晶粒尺寸比初始粉末颗粒增大仅约3倍，普通放电等离子体烧结使ZnO致密，该值增大约50倍。
[0019]5)发现采用放电等离子体辅助冷烧结ZnO陶瓷，其晶粒生长活化能为78.8kJ/mol，约为传统烧结的1/3。
[0020]6)采用放电等离子体辅助冷烧结ZnO陶瓷，试样达到相同致密度，其烧结耗能不到传统固相烧结耗能的1/100。
[0021]7)采用放电等离子体辅助冷烧结ZnO陶瓷，250℃烧结试样的室温晶界电阻低，为2.75
×
103Ω。
附图说明
[0022]图1a为放电等离子体辅助冷烧结ZnO陶瓷收缩率随压力和烧结温度的变化，图1b为50MPa下试样密度随烧结温度的变化。
[0023]图2为ZnO陶瓷显微结构随放电等离子体辅助冷烧结温度的变化，图a为120℃，图b为140℃，图c为160℃，图d为180℃，图e为200℃，图f为250℃。
[0024]图3为不同ZnO陶瓷试样的X射线衍射图。
[0025]图4为ZnO陶瓷相对密度与晶粒尺寸的关系。
[0026]图5为ZnO陶瓷晶粒生长活化能计算。
[0027]图6为ZnO陶瓷固相烧结和放电等离子体辅助冷烧结耗能。
[0028]图7为不同试样室温阻抗谱图，图a为试样1和试样2，图b为试样3和试样4，图c为试样5和试样6。
具体实施方式
[0029]下面对本专利技术作进一步详细说明。
[0030]本专利技术采用的放电等离子体辅助冷烧结技术，实现了ZnO陶瓷的快速低温烧结，该烧结技术可在极低温度下(≤300℃)，几分钟至几十分钟内实现ZnO陶瓷致密化，烧结耗能
不到传统固相烧结的1/100。该烧结技术的主要机理是在配制ZnO粉料的过程中添加适量的醋酸对ZnO粉料进行局部润湿溶解，使ZnO粉体处于过饱和状态，然后再结合SPS快速升温并加压烧结，为试样的成瓷提供化学驱动力，即可在极低温、短时间内烧结出致密的ZnO陶瓷。
[0031]本专利技术采用放电等离子体辅助冷烧结技术制备了ZnO陶瓷。结果表明，ZnO陶瓷试样初步致密发生在60℃以下，85
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200℃之间快速致密化，160℃致密度可达95％以上，200℃度即可完成致密化。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：采用分析纯99.5％的商用ZnO粉末，取浓度为0.5
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3mol/L，添加比5
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20wt％醋酸溶液与ZnO粉料进行混合；S2：将S1中的混料充分研磨均匀，倒入石墨模具；施加1
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50MPa压力，保压1
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5min后，在真空环境下，开始以30
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100℃/min的速率升温，加热至120
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300℃进行烧结，并保温1
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15min，得到ZnO陶瓷。2.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学童，陈祉伶，梁杰，康晟淋，杨丽君，成立，郝建，廖瑞金，龙宇丽，曾倩，孙健杰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：