一种掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法技术

本发明专利技术提供一种采用喷雾冷冻干燥法对掺杂纳米氧化锆粉体进行后处理的方法。采用该后处理方法制备的纳米粉体具有形状规则、硬团聚少、粒径小且均匀烧结温度低等优点，可制备出具有高致密度、高强度、高韧性、透光性好和高可靠性等优点的纳米陶瓷材料。采用本发明专利技术的方法，还可以在后处理过程中引入添加剂来制备用量少、个性化纳米氧化锆粉料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法，尤其涉及ー种采用喷雾冷冻干燥法对掺杂纳米氧化锆粉体进行后处理的方法。
技术介绍
纳米材料是上世纪80年代初发展起来的新材料领域，由颗粒尺寸在I IOOnm间的纳米粒子组成。纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及介电限域效应等特殊效应以及在光学、电学、磁学、力学及化学领域表现出独特的性能，因而具有传统材料所不具备的许多特殊的物理、化学特性，广泛应用于陶瓷、涂料、医疗 等领域。氧化锆陶瓷是ー种具有高硬度、高韧性、导热率低、抗热震性好、具有良好的耐磨耐蚀性及高温离子导电性的陶瓷材料。作为ー种优良的无机非金属原料，氧化锆陶瓷除用于耐火材料外，还广泛应用于制造压电元件、陶瓷电容器等功能陶瓷领域。自1975年Ganrie Hannik和Pascoet发现氧化错陶瓷相变增韧以来,近二十年以氧化错为增韧剂的复合陶瓷材料得到了迅速发展，已成功开发出部分稳定氧化锆(PSZ)、四方氧化锆多晶(TZP)和氧化锆增韧氧化铝(ZTA)等材料。而制备优质氧化锆陶瓷材料的关键是制备优质的氧化锆粉体。因此制备高纯、无硬团聚的纳米氧化锆粉体自然成为了研究热点。目前国内外制备掺杂纳米氧化锆粉体的主要方法是液相法，如共沉淀法、溶胶-凝胶法、水解法等。液相法制备エ艺由于エ艺路线简単，设备投资小而广泛应用。但在采用液相法制备掺杂纳米粉体中，防止所制备的粉体产生团聚是重点。纳米粉体的团聚一般分为两种粉体的软团聚和硬团聚。粉体的软团聚主要是由于颗粒间的范德华カ和库仑カ所致，该团聚可以通过ー些化学的作用或施加机械能的方式来消除。粉体的硬团聚体内除了颗粒之间的范德华カ和库仑カ外，还存在化学键作用。液相法制备掺杂纳米氧化锆粉体硬团聚易在粉体干燥过程中产生。在粉体颗粒的毛细管中存在着气-液界面，在干燥过程中随着最后一部分液体的排除，在毛细管カ的作用下，颗粒之间的间距越来越近由于存在表面羟基，表面羟基间的氢键作用导致形成桥氧键，从而变成大的块状的团聚体，如果液相中含有其他的金属盐类物质，还会在颗粒之间形成结晶盐的固相桥，导致硬团聚体形成。此外，掺杂纳米氧化锆粉体硬团聚也易在粉体煅烧过程中产生。粉体的煅烧温度如果过高，可使已形成的团聚体因发生局部烧结而结合得更牢固，形成高密度大尺寸的团聚体；而煅烧温度过低，则由于粉体颗粒太细，表面存在明显的凝聚力，形成低密度大尺寸的团聚体。由于硬团聚体在粉末的加エ成型过程中其结构不易被破坏，所以硬团聚的存在对材料性质有很多不良影响。硬团聚体的存在直接影响到素坯的成型，容易得到低密度、高气孔的素坯。当粉料中团聚体的含量较高吋，团聚体间相互作用导致烧结密度降低，形成多孔的显微结构；当团聚体含量较低，团聚体密度小于基体密度时，会使团聚体具有比基体更大的收缩速率，导致烧结过程中基体与团聚体之间存在张应力，这种应力只有通过团聚体与基体间的相互脱离才得以释放，其结果是烧结后的样品存在着大量的裂纹状空洞和气孔，严重影响烧结体的致密度、強度、韧性、可靠性等。同时团聚体还会直接影响到材料的烧结行为，由于团聚体在一次颗粒表面力的作用下直接形成，团聚体内气孔大于团聚体间气孔，因此团聚体内颗粒间的烧结温度要高于团聚体间的烧结温度，从而导致材料所需烧结温度升高。由于烧结温度的升高，极易导致二次再结晶，也会降低材料的強度、韧性及可靠性，而且二次再结晶形成的大的晶粒，达不到纳米尺寸要求，从而失去纳米陶瓷特有的性能。所以制备无团聚的纳米粉体是制备优良纳米陶瓷的必要条件。防止纳米粉体团聚可在粉体制备中进行，也可在制备后进行。在制备过程中抑制团聚的方法有①选择适合的沉积条件；②沉淀前或干燥过程中的特殊处理，如有机溶剂洗涤，冷冻干燥，干燥时的温度控制、阴离子脱除等选择适合的煅烧条件。在团聚体形成后消除团聚的方法有超声波粉碎、气流粉碎、搅拌磨研磨、球磨机或砂磨机研磨等。 目前在纳米粉生产过程中，通过采用在制备过程中抑制团聚、团聚体形成后消除团聚两种方式结合減少硬团聚的存在。对于掺杂纳米氧化锆粉料，在制备过程中抑制粉料团聚较易控制，但粉料煅烧后形成的硬团聚的消除则比较困难。气流粉碎主要是用于原粉，粉料颗粒较小，随着放置时间的延长，环境湿度的増大，易吸收水分再次形成硬团聚；而其他粉碎方式大多都有液体存在，如果纳米粉用于湿法成型，那么破碎后的粉料可以直接使用，但若纳米粉应用于干法成型，那么一般对煅烧后采用机械カ破碎的方式消除硬团聚的纳米粉进行喷雾造粒处理。喷雾造粒的粉料是ー种人工团聚体，造粒团聚体特性如破碎强度、粒度分布、流动性、形态等将影响成型坯体的密度和显微结构，尤其是造粒团聚体的抗压强度在很大程度上决定着烧结体的微观结构和力学性能。大量的实验现象表明即使在很高的压カ下成型，坯体中仍有少量的造粒团聚体没有被完全破碎，由于这种团聚体是通过粘结剂连接而成，在烧结过程中随着粘结剂的派出将形成相互连接的多孔颗粒，很容易导致非均匀烧结，在烧结体中留下大气孔，影响材料性能。由此可见，现有技术中虽然存在多种方法来减少掺杂纳米氧化锆粉体中的硬团聚，但是这些方法都很难完全消除硬团聚，提供适合于干法成型的掺杂纳米氧化锆粉体。因此，在本领域中，仍然需要一种能够消除掺杂纳米氧化锆粉体中的硬团聚的粉料处理方法，从而提供没有硬团聚的掺杂纳米氧化锆粉体。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种消除掺杂纳米氧化锆粉体中的硬团聚的后处理方法，从而提供没有硬团聚或硬团聚很少的掺杂纳米氧化锆粉体。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种掺杂纳米氧化锆粉料的后处理方法，包括以下步骤准备掺杂纳米氧化锆粉体；对掺杂的纳米氧化锆粉体进行机械研磨；采用喷雾冷冻干燥法对研磨后的粉体进行冷冻干燥。采用该方法，可以消除掺杂纳米氧化锆粉料中的硬团聚，从而获得无硬团聚的掺杂纳米氧化锆粉体。采用本专利技术的方法处理过的掺杂纳米氧化锆粉体，可以提高烧结体致密度、強度、韧性、透光性和可靠性等性能。在根据本专利技术的方法中，还可以在本专利技术的后处理过程中引入添加剂来制备用量少、个性化纳米氧化锆粉料。此外，本专利技术人对机械研磨的条件与喷雾冷冻干燥的条件进行了深入的研究和优化，获得了二者之间良好配合的エ艺參数，从而制备出具有良好成型性能和烧结性能的掺杂纳米氧化锆粉料。在一个实施方案中，采用砂磨机进行研磨，砂磨机的转速为1500_2500rpm，分别采用直径为Imm和O. 3_氧化锆珠分级研磨，研磨时间为2_3小吋。并且冷冻干燥时，浆料的固体含量为60-80重量％。在-20°C至-30°C、5-10Pa的真空下进行冷冻干燥直至水分完全消失。在另ー个实施方案中，采用超声波粉碎，超声波频率为30-50KHZ，粉碎时间为3_5小时，浆料的固体含量为20-30重量％。然后将浆料喷雾冷冻，在-20至-30°C、5-10Pa的条件下冷冻干燥至水分完全消失。 在另ー个实施方案中，采用球磨机研磨,研磨介质为O. 5mm、lmm、3mm的氧化错磨珠，三种研磨介质的比例为4 I 5，料球比为I : (1-1.5)。浆料的固体含量为20-30重量1^。然后将浆料喷雾冷冻，在-30至-50°C、I-IOPa的条件下冷冻干燥至水分完全消失。在另ー个实施方案中，采用搅拌磨研磨,研磨介质为O.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法，其特征在于包括以下步骤 准备掺杂纳米氧化锆粉料； 配制粉料与水的质量比为(0. 25 4) I的浆料； 采用超声波粉碎、球磨机或砂磨机研磨等机械力破碎方式消除煅烧过程中产生的硬团聚； 将浆料喷雾到液态制冷剂中产生冻结产物； 将冻结产物在-60 _20°C进行减压冷冻干燥20小时以上，使产物中水分充分升华而消失，从而获得干燥的粉料。2.根据权利要求I所述的掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法，其特征在于在所述掺杂纳米氧化锆粉料中加入添加剂。3.根据权利要求I所述的掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法，其特征在于采用砂磨机研磨时，砂磨机的转速为1500-2500rpm,分别采用直径为Imm和0. 3mm氧化错珠分级研磨，浆料的固体含量为60-80重量％，研磨时间为2-3小时；在-20°C至-30°C、5_10Pa的真空下进行冷冻干燥直至水分完全消失。4.根据权利要求I所述的掺杂纳米氧化锆粉体的后处理方法，其特征在于采用超声波粉碎时，超声波频率为30-50KHZ，粉碎时间为3-5小时，浆料的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：严庆云，何玲玲，王琳，郑艳春，王鸿娟，
申请(专利权)人：深圳市爱尔创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：