專利名稱：一種導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，更確切地說(shuō)涉及一種具有超微結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)、高強(qiáng)度的氧化鋁(Al2O3)基氧化鋁和氮化鈦納米復(fù)相陶瓷材料的低成本制備方法。
背景技術(shù)：
Al2O3陶瓷材料由于高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、抗氧化、無(wú)毒，所以成為目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料之一，特別是Niihara(Journal of Ceramic Society ofJapan，1991，99，974-982)報(bào)道了Al2O3基納米復(fù)合材料具有很高的力學(xué)性能以來(lái)，Al2O3基納米復(fù)合材料研究成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。這是因?yàn)锳l2O3基納米復(fù)合材料比起單相Al2O3陶瓷材料具有更高的強(qiáng)度和韌性。
氮化鈦(TiN)具有高硬度(顯微硬度21GPa)、高熔點(diǎn)(2950℃)、化學(xué)穩(wěn)定性好并且具有良好的導(dǎo)電性(室溫電阻率為3.34×10-7Ω.cm)，所以作為增強(qiáng)相TiN不但可以提高材料的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性，而且還可以大幅度提高材料的導(dǎo)電性能，使其能夠采用放電切割技術(shù)進(jìn)行加工，顯著降低加工成本并且可以加工出復(fù)雜的陶瓷部件，所以制備Al2O3/TiN復(fù)合材料不但可以提高其強(qiáng)度和韌性，而且還可以進(jìn)行放電加工，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
在Al2O3基體里引入TiN粒子制備Al2O3/TiN復(fù)合材料，一般采用兩種途徑傳統(tǒng)的制備方法是采用微米或者亞微米級(jí)甚至是納米的Al2O3和TiN粉體進(jìn)行混合，采用熱壓等燒結(jié)技術(shù)制備Al2O3/TiN復(fù)合材料。采用這種制備途徑存在的主要缺點(diǎn)是對(duì)原始粉體的質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，例如要求粉體粒徑分布窄、純度高、團(tuán)聚少等。以外，兩相分布不夠均勻，特別是具有高表面能Al2O3和TiN納米粉體，僅僅依靠簡(jiǎn)單的機(jī)械混料是無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩相陶瓷組分在納米尺度上均勻復(fù)合。最近高濂等人(Journal of the European Ceramic Society 23(2003)69-74)報(bào)道了采用化學(xué)共沉淀先合成納米Al2O3/TiO2復(fù)合粉體，然后在管式爐中用氨氣直接氮化，合成了納米Al2O3/TiN復(fù)合粉體，最后采用熱壓的方法制備了導(dǎo)電Al2O3/TiN復(fù)合材料。采用這種方法可以得到兩相分布比較均勻、顯微結(jié)構(gòu)精細(xì)、良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的Al2O3/TiN復(fù)合材料，但是制備工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本比較高。在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，工藝簡(jiǎn)單、耗能低、環(huán)境友好的制備路線具有重要的意義。
放電等離子體快速燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS)是一種新型的材料制備技術(shù)，其主要特點(diǎn)是利用脈沖電流直接加熱樣品、燒結(jié)時(shí)間短，可能具有表面活化作用促進(jìn)燒結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的快速致密化燒結(jié)。與傳統(tǒng)的燒結(jié)方法相比，可以節(jié)約能源、提高設(shè)備效率、降低成本，燒結(jié)試樣的晶粒均勻、致密度高、力學(xué)性能好，在材料制備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征采用放電等離子體快速燒結(jié)技術(shù)(SPS)，制備具有優(yōu)良導(dǎo)電性能和高力學(xué)性能氧化鋁和氮化鈦(Al2O3/TiN)的陶瓷復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于通過(guò)選擇普通商用粉體為原料、設(shè)計(jì)原料組成配比、優(yōu)化工藝參數(shù)、控制顯微結(jié)構(gòu)演化，以獲取具有精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電和力學(xué)性能燒結(jié)體材料。首先設(shè)計(jì)原料組成配比，然后經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械混料，最后進(jìn)行SPS原位反應(yīng)燒結(jié)，主要通過(guò)控制SPS燒結(jié)工藝參數(shù)，包括燒結(jié)溫度、壓力、升溫速率、保溫時(shí)間等。具體有以下各步驟1.原料粉體的選擇與制備以市售商用AlN、TiO2和金屬Ti等微米級(jí)普通粉體為原料，按照Al2O3與TiN的重量比為75∶25-55∶45設(shè)計(jì)配比進(jìn)行原料粉體稱量，然后利用機(jī)械球磨進(jìn)行混料。球磨混料過(guò)程一般采用氧化鋁磨球，球磨轉(zhuǎn)速為200～250rpm、球料重量比為4∶1、球磨時(shí)間為12h。最后進(jìn)行干燥、過(guò)篩獲得原料混合粉體。
2.放電等離子體快速原位反應(yīng)燒結(jié)(SPS)該過(guò)程在真空條件或惰性氣氛下進(jìn)行，可選用石墨模具。在制備過(guò)程中，需嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，包括燒結(jié)溫度、壓力、升溫速率、保溫時(shí)間等。其中，燒結(jié)溫度與升溫速率通過(guò)脈沖電流與電壓的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。燒結(jié)的溫度范圍為1300～1500℃；升溫速率范圍為80～150℃/min；保溫5-10分鐘。根據(jù)粉末不同的初始粒度等確定具體的燒結(jié)時(shí)間，通常為15～30min；壓力范圍為40～60MPa。依SPS的特征加壓的方向與脈沖電流方向一致(即平行方向)。所加壓力是兩步加壓法，在燒結(jié)溫度前先施加5-15MPa，在燒結(jié)溫度下施加40～60MPa。
材料的評(píng)價(jià)主要包括相分析、顯微結(jié)構(gòu)表征、抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率σ的測(cè)量。采用上述制備工藝，所獲得的燒結(jié)體材料的X光衍射分析結(jié)果表明為該材料包含Al2O3相和TiN相，沒(méi)有副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物相，反應(yīng)完全，如圖1所示。顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)SPS反應(yīng)燒結(jié)以后，其晶粒細(xì)小，晶粒尺寸小于300納米，如圖2所示。獲得燒結(jié)體材料的抗彎強(qiáng)度為700～830MPa左右，電導(dǎo)率σ為4.8～7.1×105Ω-1.m-1，如圖3所示。
本發(fā)明提供了一種具有精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)、良好導(dǎo)電性與機(jī)械性能的Al2O3/TiN復(fù)合材料及其制備方法。采用普通的商用粉體，通過(guò)快速致密化反應(yīng)燒結(jié)以控制顯微結(jié)構(gòu)，在保證材料良好力學(xué)性能與導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上，使材料的利用率、可加工性、產(chǎn)品的可靠性得以大大提高，制備周期短、能耗低、環(huán)境友好，生產(chǎn)成本顯著降低，從而具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。


圖1為實(shí)施例1的X射線衍射圖，其中a為JCPD標(biāo)準(zhǔn)卡；b.燒結(jié)體；圖2為實(shí)施例1的燒結(jié)體的掃描電鏡(SEM)；圖3為實(shí)施例1的電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以組分為55％Al2O3-45％TiN的復(fù)合材料為例，首先將商用普通的TiO2粉、AlN粉和金屬Ti粉置于氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質(zhì)球磨濕混12h，轉(zhuǎn)速為210rpm，然后進(jìn)行干燥。隨后利用標(biāo)準(zhǔn)尼龍篩對(duì)粉料進(jìn)行過(guò)篩，以獲取所需粒度分布的初始粉料。將粉料裝入石墨模具后，放入SPS設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)。
SPS制備過(guò)程在真空條件下進(jìn)行。采用的燒結(jié)溫度為1400℃；升溫速率為80℃/min；保溫時(shí)間為6min；采用兩步加壓的方式，燒結(jié)前所施加的壓力為10MPa，保溫階段所施加的壓力為60MPa。所獲得的燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度為700MPa；電導(dǎo)率σ為7.1×105Ω-1.m。
實(shí)施例2以組分為65％Al2O3-35％TiN的復(fù)合材料為例，首先按Al2O3與TiN的重量比為65∶35配料(通過(guò)加入少量納米Al2O3粉調(diào)整Al2O3的含量)，然后以250rpm轉(zhuǎn)速球磨，制備初始粉料，再進(jìn)行SPS燒結(jié)，燒結(jié)在惰性氣氛下進(jìn)行，燒結(jié)溫度為1450℃，升溫速率為150℃/min，保溫時(shí)間為8min；保溫階段壓力為40MPa，其余同實(shí)施例1。所獲得的燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度為746MPa；電導(dǎo)率σ為5.3×105Ω-1.m。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，包括配料、混合、干燥及燒成工藝，其特征在于(a)以微米級(jí)AlN、TiO2和金屬Ti粉為起始原料，按Al2O3與TiN的重量比為75∶25～55∶45配料；(b)配料以后以酒精為介質(zhì)濕混，球料重量比為4∶1，球磨時(shí)間為12小時(shí)；(c)最后將干燥后混合粉體用放電等離子體快速原位反應(yīng)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300～1500℃，采用兩步加壓方式，燒結(jié)溫度時(shí)的壓力為40～60MPa，保溫5～10分鐘。
2.按權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于濕混時(shí)球磨轉(zhuǎn)速為200～250轉(zhuǎn)/分鐘。
3.按權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于放電等離子體燒結(jié)時(shí)的升溫速率為80～150℃/min，燒結(jié)時(shí)間為15～30分鐘。
4.按權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于起始原料為市售的普通微米級(jí)粉體。
5.按權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于采用兩步加壓方式，在燒結(jié)溫度前試加5-15MPa的壓力，到達(dá)燒結(jié)溫度時(shí)再施加至40～60MPa。
6.按權(quán)利要求1、2、3、或4所述的導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的Al2O3-TiN納米陶瓷材料的晶粒尺寸小于300納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電氧化鋁基納米陶瓷材料的制備方法，其特征在于以微米級(jí)AlN、TiO
文檔編號(hào)C04B35/622GK1793008SQ20051011061
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者王連軍, 江莞, 陳立東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所