一种高强度ZTA多孔陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及多孔陶瓷的制备技术，具体地说是一种高强度ZTA多孔陶瓷材料及其制备方法。按重量百分比计，其成份由60％～90％的Al2O3和35％～5％的mY

【技术实现步骤摘要】
一种高强度ZTA多孔陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及多孔陶瓷的制备技术，具体地说是一种高强度ZTA(ZrO2增韧Al2O3)多孔陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]ZTA陶瓷由于其较高的硬度和断裂韧性、良好的高温强度、稳定的化学性能、优良的耐磨性能，可以应用到高温、磨损、冲蚀等苛刻的工作环境中，是一种综合性能优良的先进结构材料；同时，ZTA陶瓷的热膨胀系数明显高于SiC、Si3N4、B4C陶瓷，与高铬铸铁、合金钢较为接近，因此又是复合耐磨钢广泛应用的增强陶瓷材料。
[0003]多孔陶瓷是一种结构陶瓷，其几何结构特征是以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成的三维连通网络可以应用到钢水过滤、化工精馏、催化剂载体、隔热、吸声和仿生骨骼等领域。将ZTA陶瓷制备成多孔陶瓷，这种独特的三维网络结构为复合材料提供了充分的设计空间。由于ZTA多孔陶瓷材料同样具有陶瓷固有的耐高温、抗氧化、耐磨损、抗冲蚀等性能，同时基体材料又保持原有的增韧性能，可以实现单质材料无法实现的独特性能。因此，ZTA多孔陶瓷材料的制作和应用得到广泛的重视。
[0004]目前的ZTA多孔陶瓷材料有以下四种方法制备：颗粒粘接法、溶胶/凝胶法、3D打印法、固相反应烧结法。
[0005]颗粒粘接法：利用无机粘接剂、金属粉末与ZTA陶瓷颗粒混合，模压成型，在空气、保护气氛或真空环境中高温烧结的方法获得ZTA多孔陶瓷。该方法工艺简单适合工业化生产，但粘接剂的强度与ZTA陶瓷比相对相较低，材料的整体性能提高受到影响。
[0006]溶胶/凝胶法：在溶胶过程中在ZTA陶瓷浆料中添加造孔剂，经过凝胶固化成型，然后经过排胶、高温烧结除去造孔剂同时获得ZTA多孔陶瓷，通过造孔剂的尺度与添加量的选择，可是实现多孔陶瓷中孔隙尺寸和体积分数的控制。
[0007]3D打印技术：通过选择合适的ZTA原料，可以利用3D打印技术获得需要的尺寸与形状的ZTA多孔陶瓷坯体，经过排胶和烧结可获得ZTA多孔陶瓷。3D打印技术是多孔陶瓷制备中一个非常有发展前景的新技术，规模化生产是其需要克服的一个重要关键技术。
[0008]粉末烧结法：将含有一定量烧结助剂的ZTA陶瓷粉与连接剂(如硅酸乙脂水解液、硅溶胶和聚乙烯醇等)调成合适浓度的料浆后，浸挂在聚氨脂泡沫上，固化干燥后，在200～600℃范围脱出聚氨脂泡沫。而后，将温度升高到1400～1700℃之间进行烧结便得到泡沫状的ZTA多孔陶瓷。

技术实现思路
：
[0009]本专利技术的目的在于提供一种高强度致密的ZTA多孔陶瓷材料及其制备方法，用该方法制备的ZTA多孔陶瓷的网孔尺寸、结构形状、体积分数精准可控；陶瓷骨架筋致密度高，超过95％、组织均匀，大幅度地提高ZTA多孔陶瓷的强度。
[0010]本专利技术的技术方案是：
[0011]一种高强度ZTA多孔陶瓷材料，按重量百分比计，其成份由60％～90％的Al2O3和35％～5％的mY
‑
ZrO2(钇稳定二氧化锆YSZ)和5％的烧结助剂组成，mY
‑
ZrO2中的m＝0、2、3、5或8，烧结助剂为TiO2、MnO2、MgO、La2O3、Y2O3中的一种或两种以上。
[0012]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料，ZTA多孔陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络结构，构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥95％，平均晶粒尺寸在10nm～100μm。
[0013]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，以Al2O3微粉、mY
‑
ZrO2微粉、烧结助剂、高产碳率树脂、固化剂和酒精为基本原料，以有机多孔材料为模板，主要工艺包括切割多孔模板、陶瓷料浆配制、浸挂料浆、脱胶、填充预制体骨架中心孔、加工成型、致密化烧结。
[0014]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，按重量百分比计，Al2O3微粉40wt％～20wt％，mY
‑
ZrO2微粉25wt％～5wt％，烧结助剂微粉0.5wt％～5wt％，高产碳率树脂8wt％～15wt％，固化剂0.5wt％～5wt％，酒精25wt％～50wt％。
[0015]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，以高产碳率树脂作为粘接剂，选自酚醛树脂、环氧树脂、糠醛树脂之一种或两种以上；固化剂为对甲苯磺酸、五洛脱品、草酸或柠檬酸，固化剂的加入量为高产碳率树脂重量的1～20％。
[0016]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，有机多孔模板选自聚氨酯泡沫、涤纶网布或氨纶网布。
[0017]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，Al2O3微粉平均粒度为10nm～100μm，mY
‑
ZrO2微粉平均粒度为10nm～10μm，烧结助剂微粉平均粒度为10nm～10μm。
[0018]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，脱胶在氩气或氮气气氛保护下进行，升温速率为每分钟1～10℃，温度500～600℃，保温0.5～2小时。
[0019]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，填充预制体骨架中心孔过程是利用真空吸注结合高压压注的方法将填充料浆压入中心孔内，真空度为50～5000Pa，压力为1～15MPa，保压5～30分钟。
[0020]所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，致密化烧结在空气气氛中进行，升温速率为每分钟1～10℃，温度1400～1700℃，保温0.5～4小时。
[0021]本专利技术的设计思想是：
[0022]本专利技术是将Al2O3、mY
‑
ZrO2、树脂、烧结助剂、酒精溶剂等制成陶瓷料浆，选择合适孔径的有机多孔材料，并加工、剪裁成所需要的形状和尺寸，而后将其浸入料浆中，取出后，用挤压、风吹、离心等方式除去多余的料浆，烘干、固化，重复上述过程多次直到达到需要的陶瓷体积分数。将固化后的多孔前驱体在氩气或氮气气体保护炉中进行有机多孔材料脱除，得到与原始有机多孔材料形状一样的由ZTA多孔材料预制体。磨开预制体中心孔，利用真空吸注结合压注方法将ZTA多料浆压注到多孔骨架中心孔内并添满中心孔，经过空气气氛中致密化烧结，从而得到高强度致密的ZTA多孔陶瓷。
[0023]在ZTA多孔陶瓷组成中各相的作用如下：
[0024]在ZTA陶瓷中，主相为A12O3、mY
‑
ZrO2(钇稳定二氧化锆YSZ)和烧结助剂，其中：刚玉α
‑
A12O3的洛氏硬度88～92HRA、抗压强度≥2000MPa(25～1000℃)、热膨胀系数7.9～8.8/
×
10
‑6K
‑1(20～1000℃)，断裂韧性3.5～5.9MPa.m
1/2
具有优越的高温强度、良好的耐磨性、耐腐蚀性，但陶瓷固有的脆性限制了它在工程领域中的应用。因而，需要改善其陶瓷结构，提
高其韧性。
[0025]ZrO2颗粒随着温度的变化发生四方相t<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度ZTA多孔陶瓷材料，其特征在于，按重量百分比计，其成份由60％～90％的Al2O3和35％～5％的mY
‑
ZrO2(钇稳定二氧化锆YSZ)和5％的烧结助剂组成，mY
‑
ZrO2中的m＝0、2、3、5或8，烧结助剂为TiO2、MnO2、MgO、La2O3、Y2O3中的一种或两种以上。2.按权利要求1所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料，其特征在于，ZTA多孔陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络结构，构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥95％，平均晶粒尺寸在10nm～100μm。3.一种权利要求1或2所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于，以Al2O3微粉、mY
‑
ZrO2微粉、烧结助剂、高产碳率树脂、固化剂和酒精为基本原料，以有机多孔材料为模板，主要工艺包括切割多孔模板、陶瓷料浆配制、浸挂料浆、脱胶、填充预制体骨架中心孔、加工成型、致密化烧结。4.按照权利要求3所述的高强度ZTA多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，Al2O3微粉40wt％～20wt％，mY
‑
ZrO2微粉25wt％～5wt％，烧结助剂微粉0.5wt％～5wt％，高产碳率树脂8wt％～15wt％，固化剂0.5wt％～5wt％，酒精25wt...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，曹小明，金鹏，杨永进，徐奕辰，刘强，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：