一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷制造技术

本发明专利技术涉及一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。该方法首先使用熔盐法制备纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须，该复合晶须能够有效降低单相晶须的团聚作用，提高其分散性；随后，将该复合晶须与Al2O3粉末混合后，采用快速烧结技术进行烧结得到多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷。本发明专利技术首次采用纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须作为增韧相，以增强Al2O3复合陶瓷的韧性。该Al2O3复合陶瓷材料韧性的提升取决于SiC晶须、TiC纳米颗粒和Al2O3基体之间在相成分、材料尺寸和热膨胀系数方面的多重差异，在Al2O3基体中形成了复杂的应力环境及结构变化，从而引发了多维增韧效果，显著提高了Al2O3复合陶瓷材料的韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷材料，尤其涉及一种以纳米tic颗粒层包裹微米sic复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷及其制备方法。

技术介绍

1、al2o3具有高熔点(2054℃)、低密度(3.97g/cm3)、高硬度、优异的化学稳定性、高弹性模量(380gpa)和良好的耐磨性等优异性能，使其在坩埚、耐磨涂层、精密加工刀具、抗冲击装甲、航空航天发动机部件等领域有十分广阔的应用前景。然而，其低自扩散系数和强共价键的特点使al2o3陶瓷自身断裂韧性极低，严重限制了其在相应领域的广泛应用。为解决al2o3陶瓷韧性低的问题，通常会将不同形状(颗粒、纳米片、晶须、纤维等)的c、b4c、tic、sic、tib2、al2o3等材料引入到al2o3陶瓷基体中。其中，晶须增韧方法通常是将单相晶须添加在基体材料中，通过晶须桥连、拔出、裂纹偏转等方式进行增韧。然而，当前各种物相的晶须都已经被使用过，由于这些单相晶须增韧结构相同，增韧机理单一，导致他们效果相似，单相晶须增韧效果已经达到了极限，很难再提升。此外，单相晶须很容易造成团聚，在添加过程中，会在陶瓷基体内形成团聚体，导致陶瓷基体力学性能降低。

技术实现思路

1、本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷及其制备方法，通过sic晶须、tic纳米颗粒、al2o3基体之间相成分、材料尺寸和热膨胀系数的多重差异，在增韧过程中会产生多维度的增韧效果，最终实现al2o3复合陶瓷韧性的进一步提升。

2、本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

3、一种以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷，以al2o3为基体相，以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须作为增韧相，按质量百分比计，al2o3 80～97％，纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须3～20％。

4、上述以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷的制备方法，先以sic晶须和纳米ti粉为原料，使用熔盐法制备出纳米tic颗粒层包裹微米sic复合晶须，随后纳米tic颗粒层包裹微米sic复合晶须与al2o3基体粉末经磁力搅拌混粉、干燥、过筛，采用快速烧结技术进行烧结得到多尺度增韧的al2o3复合陶瓷。

5、进一步地，上述以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

6、(1)原始sic晶须的除杂：将原始sic晶须置于聚四氟乙烯烧杯中，使用酸液进行搅拌酸洗，然后离心水洗至中性，置于真空干燥箱中烘干，得到除杂后的sic晶须；

7、(2)混合粉体的制备：以步骤(1)所得sic晶须、纳米ti粉为原料，nacl和kcl为熔盐介质，无水乙醇为液态介质，在磁力搅拌器上进行磁力搅拌混合，旋转蒸发蒸干溶液，真空干燥得到混合粉体a；

8、(3)纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须的制备：将步骤(2)所得混合粉体a置于带盖的半圆形刚玉坩埚中，于流动氩气气氛的高温管式炉中进行加热、保温实现烧结，冷却后得到含有杂质的纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须粉体；

9、(4)纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须的提纯：将步骤(3)所得复合晶须粉体经过多次水洗除去nacl和kcl熔盐，再用氢氟酸酸洗除去杂质，然后水洗至中性，最后用真空烘箱干燥，得到高纯的纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须；

10、(5)al2o3-纳米tic颗粒层包裹微米sic复合晶须混合粉体的制备：将步骤(4)所得高纯的纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须、al2o3粉体以无水乙醇作为液态介质混合均匀，水浴锅直接蒸发，随后真空干燥、过筛后得到混合粉体b；

11、(6)al2o3复合陶瓷的制备：将步骤(5)所得混合粉体b使用快速烧结设备，在一定的压力和升温速率下，于1400～1600℃保温一定时间烧结而成，得到所述的纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷。

12、按上述方案，步骤(1)中，原始sic晶须的直径为0.1～0.6μm，长度为10～50μm；步骤(2)中，纳米ti粉的粒径为30～500nm，纯度≥99.8％；步骤(5)中，al2o3粉体的粒径＜1μm，纯度≥99.99％。

13、按上述方案，步骤(1)中所使用的酸液可以是盐酸、硫酸、氢氟酸等无机酸溶液，也可以是前述无机酸与其他溶剂配制成的酸性溶液，优选为氢氟酸溶液，氢氟酸溶液浓度为20～40wt.％；搅拌时间为30min～120min。

14、按上述方案，步骤(2)中，sic晶须与纳米ti粉的摩尔比为1:2～6:1；nacl与kcl的摩尔比为4:1～1:4，优选为1:1；熔盐介质与原料的质量比为2:1～8:1；sic晶须、ti粉、nacl和kcl四者总质量在无水乙醇中的占比为10％～20％。

15、按上述方案，步骤(3)中，流动氩气的气流速度为50ml/min～120ml/min，高温管式炉的升温速率为1～3℃/min，烧结温度为1100～1400℃，保温时间为1～3h。

16、按上述方案，步骤(4)中，氢氟酸溶液的浓度为35～45wt.％。

17、按上述方案，步骤(5)中，纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须的质量占在3～20wt.％，al2o3的质量占比在80～97wt.％；混合粉体在无水乙醇中的固相含量为5％～20％；混合粉体b的粒径不大于200目。

18、按上述方案，步骤(6)中，所使用的压力为30～80mpa，升温速率为50～500℃/min，保温时间为5～10min。

19、本专利技术通过在微米尺度的sic晶须表面原位反应形成纳米级的tic颗粒壳层，形成纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须，其可能机理为：在熔盐环境中，纳米ti逐渐分解为ti原子，随后向sic晶须扩散，与sic原位反应形成纳米tic颗粒，随着扩散的进行，sic中的si原子不断被ti原子替换，使得壳层变厚，而其中被替换si原子扩散到熔盐介质中，随后在高温环境下以气体形式排除；同时熔盐环境以及保护气氛的存在，保证了ti不会被氧化形成tio2，减少了杂质相对核壳结构晶须的影响。随后该复合晶须作为增韧相引入到al2o3基体中，随后使用快速烧结技术烧结制备出以纳米tic颗粒层包裹微米sic复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷。

20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：

21、(1)本专利技术不是以单一的晶须作为增韧相，而是以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须作为增韧相，在al2o3基体中，该复合晶须与基体之间会形成由微米级sic晶须-纳米级tic颗粒-微米级al2o3晶粒的材料尺寸的过渡变化，引发多维增韧效果，可以打破单一晶须增韧相的增韧瓶颈，实现韧性进一步提升。本专利技术首本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷，其特征在于，所述Al2O3复合陶瓷以Al2O3为基体相，以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须作为增韧相，按质量百分比计，Al2O3 80～97％，纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须3～20％。

2.根据权利要求1所述的一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷，其特征在于，所述Al2O3复合陶瓷的密度为3.87～3.97g/cm3，维氏硬度为20.23～21.38GPa，断裂韧性为5.19～7.61MPa·m1/2，抗弯强度为465～693MPa。

3.权利要求1所述的Al2O3复合陶瓷的制备方法，其特征在于，先以SiC晶须和纳米Ti粉为原料，使用熔盐法制备出纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须；所述纳米TiC颗粒层包裹微米SiC的复合晶须与Al2O3粉末经混合烧结，得到Al2O3复合陶瓷。

4.根据权利要求3所述的Al2O3复合陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，SiC晶须的直径为0.1～0.6μm，长度为10～50μm；SiC晶须使用前进行酸洗除杂，然后水洗至中性，干燥备用。

6.根据权利要求4所述的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，纳米Ti粉的粒径为30～500nm，纯度≥99.8％；Al2O3粉体的粒径＜1μm，纯度≥99.99％。

7.根据权利要求4所述的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，步骤(1)中SiC晶须与纳米Ti粉的摩尔比为1:2～6:1，NaCl与KCl的摩尔比为4:1～1:4，熔盐介质与原料的质量比为2:1～8:1。

8.根据权利要求4所述的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中保护气氛为流动的氩气，气流速度为50～120ml/min，高温管式炉的升温速率为1～3℃/min，煅烧温度为1100～1400℃，保温时间为1～3h。

9.根据权利要求4所述的一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，步骤(3)中，纳米TiC颗粒层包裹微米SiC复合晶须的质量占比在3～20wt.％，Al2O3的质量占比在80～97wt.％。

10.根据权利要求4所述的一种以纳米TiC颗粒层包裹微米SiC复合晶须多尺度增韧的Al2O3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所使用的压力为30～80MPa，升温速率为50～500℃/min，保温时间为5～10min。

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【技术特征摘要】

1.一种以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷，其特征在于，所述al2o3复合陶瓷以al2o3为基体相，以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须作为增韧相，按质量百分比计，al2o3 80～97％，纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须3～20％。

2.根据权利要求1所述的一种以纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须多尺度增韧的al2o3复合陶瓷，其特征在于，所述al2o3复合陶瓷的密度为3.87～3.97g/cm3，维氏硬度为20.23～21.38gpa，断裂韧性为5.19～7.61mpa·m1/2，抗弯强度为465～693mpa。

3.权利要求1所述的al2o3复合陶瓷的制备方法，其特征在于，先以sic晶须和纳米ti粉为原料，使用熔盐法制备出纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须；所述纳米tic颗粒层包裹微米sic的复合晶须与al2o3粉末经混合烧结，得到al2o3复合陶瓷。

4.根据权利要求3所述的al2o3复合陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的al2o3复合陶瓷及其制备方法，其特征在于，sic晶须的直径为0.1～0.6μm，长度为10～50μm；sic晶须使用前进行酸洗除杂，然后水洗至中性，干燥备用。

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【专利技术属性】
技术研发人员：张志晓，李卫星，张晓荣，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：