專利名稱：納米－納米型Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷及其制備方法，特別涉及一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷及其制備方法，主要應(yīng)用于制備具有納米-納米型復(fù)合結(jié)構(gòu)的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代陶瓷中，結(jié)構(gòu)陶瓷(structural ceramic)占有重要位置和最大比例。結(jié)構(gòu)陶瓷主要指利用其機械、熱、化學(xué)等效能，例如耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕、耐磨、高硬度、高強度、低蠕變速率等，充作嚴(yán)酷工作條件下的結(jié)構(gòu)件材料，在能源、航空航天、機械、汽車、冶金、化工、電子等方面都起著關(guān)鍵性作用。納米結(jié)構(gòu)陶瓷的興起，標(biāo)志著對結(jié)構(gòu)陶瓷的研究與開發(fā)已進入介于宏觀與原子之間的納米層次，開拓了結(jié)構(gòu)陶瓷的超塑性和低溫?zé)Y(jié)等新的性能與工藝途徑，為結(jié)構(gòu)陶瓷在納米尺度量級的原料合成、制備、組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用功效等方面豐富了科學(xué)內(nèi)涵，成為結(jié)構(gòu)陶瓷研究的一個前沿領(lǐng)域。
近十幾年來，圍繞氧化鋁陶瓷的高脆性、均勻性差等問題進行了大量的基礎(chǔ)研究，取得了一些突破性進展，建立了相變增韌、彌散強化、晶須與纖維增強增韌、復(fù)相增韌等有效增強、增韌方法和技術(shù)，使氧化鋁陶瓷的脆性明顯改善，強度和韌性大幅度提高。近年來，科學(xué)家們提出了添加納米顆粒使常規(guī)陶瓷綜合性能得以改善的基本思想，并已證實控制彌散相結(jié)構(gòu)微細化，使晶粒尺寸從微米級→亞微米級→納米級，材料的強度出現(xiàn)一個大的飛躍。納米復(fù)相陶瓷不僅在韌性、強度、耐磨性以及高溫性能諸方面都有所改善，而且其制備工藝比較接近傳統(tǒng)陶瓷，因而，是最接近實用化的納米結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，Al2O3基納米復(fù)相陶瓷是最為引人矚目而又研究得最多的材料，一方面是因為與單相Al2O3陶瓷相比，其強度有成倍的提高；另一方面是Al2O3陶瓷的原料來源廣泛、價格低廉，其性能的提高對于擴大應(yīng)用具有重要的戰(zhàn)略意義。目前國內(nèi)外科研工作者大量研究的Al2O3/SiC納米復(fù)相陶瓷主要是晶內(nèi)型、晶界型和晶內(nèi)晶界混合型，其結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是微米基體-納米增強相復(fù)合結(jié)構(gòu)(納米粒子增強微米基體)。納米-納米型Al2O3基(Al2O3/SiC)復(fù)相陶瓷的基體和第二相晶粒尺寸都要保持在納米尺度，由于納米顆粒的活性大，在燒結(jié)過程中晶界擴散非常快，極易發(fā)生晶粒快速生長，因而采用常規(guī)的陶瓷燒結(jié)方法難以將晶粒尺寸控制在納米量級，即難以獲得致密納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，通過采用高壓燒結(jié)方式等，提供一種晶粒在納米尺寸范圍(＜100nm)內(nèi)、分布均勻、性能優(yōu)良的納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷及其制備方法。
本發(fā)明的內(nèi)容是一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷，其特征之處是該復(fù)相陶瓷體積百分組成為納米Al2O350Vol.％-95Vol.％、納米SiC、TiC、Si3N4、AlN、BN、TiN或ZrB2等5Vol.％-50Vol.％。
本發(fā)明的另一內(nèi)容是一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征之處是包括如下步驟a、配料球磨按納米Al2O3粉50Vol.％-95Vol.％、增韌補強相納米SiC、TiC、Si3N4、AlN、BN、TiN或ZrB2粉5Vol.％-50Vol.％的體積百分比例分別取量配料后，混合置于球磨機中球磨10-50小時，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體，同時減少納米粉體的團聚；b、成型將經(jīng)過球磨后的納米復(fù)合粉料通過鋼模、在5-40MPa的壓力下預(yù)壓成型為圓柱體、正方體、長方體或相似形狀的坯模，然后置于100-250MPa的壓力下冷等靜壓成型為坯體(1)，成型過程中不添加粘結(jié)劑；c、坯體熱處理將冷等靜壓后的坯體(1)在真空或惰性氣氛或氮氣保護下于400-900℃熱處理，除去坯體中的水分和可揮發(fā)性雜質(zhì)；d、坯體組裝將熱處理后的坯體(1)放入鉬杯(2)中、以防止污染；然后將鉬杯(2)放入導(dǎo)熱絕緣杯(3)中、再將導(dǎo)熱絕緣杯(3)放入石墨發(fā)熱體(4)中、再將石墨發(fā)熱體(4)裝入白云石柱筒(5)內(nèi)、然后將傳壓填料(7)填入鉬杯(2)與導(dǎo)熱絕緣杯(3)之間的間歇中、在白云石柱筒(5)兩端蓋上堵頭(6)，獲得組裝芯塊；白云石作為傳壓介質(zhì)，石墨發(fā)熱體作加熱爐用；e、高壓燒結(jié)將組裝芯塊放入兩面頂壓機中，加壓到1-8Gpa時開始加熱，以100-300℃/分鐘的速率升溫，升溫到1100-1600℃，然后保壓保溫10-60分鐘；降溫、卸壓、取出坯體，即制得復(fù)相陶瓷產(chǎn)品。
該發(fā)明內(nèi)容中步驟(a)中所述的球磨較好的是在溶劑無水乙醇、含水乙醇、丙酮、水中濕法球磨，然后經(jīng)過濾、在60-120℃下干燥、過12-80目篩，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體。
該發(fā)明內(nèi)容中步驟(b)中所述的預(yù)壓成型較好的是預(yù)壓成型為直徑10-40mm、高度5-20mm的圓柱狀片。
該發(fā)明內(nèi)容中步驟(c)中所述熱處理的時間較好的為20-60分鐘。
該發(fā)明內(nèi)容中步驟(b)中所述坯模較好的放入的橡膠彈性模中，然后置于100-250MPa的壓力下冷等靜壓成型。
該發(fā)明內(nèi)容中步驟(d)坯體組裝、步驟(e)高壓燒結(jié)中的加工設(shè)備和方法與現(xiàn)有技術(shù)中人造金剛石的加工設(shè)備和方法基本相同。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明下列特點和有益效果(1)本發(fā)明采用高壓、低溫、快速、無氣氛控制的燒結(jié)技術(shù)，獲得了納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷，可用作嚴(yán)酷工況條件下的結(jié)構(gòu)件材料，如陶瓷刀具、耐磨耐蝕器件、高溫器皿等；(2)本發(fā)明有效解決了常規(guī)陶瓷燒結(jié)技術(shù)難以獲得致密納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的問題，利用高壓這種極端物理條件對納米復(fù)合粉體燒結(jié)的影響，采用兩面頂壓機進行高壓(＞1GPa)燒結(jié)，制備致密納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷；陶瓷燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，無需氣氛控制；采用本發(fā)明制備的納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷晶粒尺寸分布均勻，晶粒在納米尺寸范圍(＜100nm)內(nèi)；同時陶瓷的密度較高，接近理論密度，產(chǎn)品性能優(yōu)良；(3)與現(xiàn)有常規(guī)燒結(jié)技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法工藝簡單、合理、實用，成本低，易于操作。


圖1是本發(fā)明實施例中坯體組裝成組裝芯塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例中組裝芯塊置于兩面頂壓機(高壓設(shè)備)中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例1納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷(70Vol.％Al2O3-30Vol.％SiC)的SEM照片；圖4是本發(fā)明實施例2納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷(95Vol.％Al2O3-5Vol.％SiC)的SEM照片；圖5是本發(fā)明實施例3納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷(80Vol.％Al2O3-20Vol.％SiC)的SEM照片。
圖中1-坯體、2-鉬杯、3-導(dǎo)熱絕緣杯、4-石墨發(fā)熱體、5-白云石柱筒、6-堵頭、7-傳壓填料、8-兩面頂壓機的硬質(zhì)合金釘錘、9-兩面頂壓機的硬質(zhì)合金釘錘、10-兩面頂壓機的密封碗、11-兩面頂壓機的測溫儀、12-兩面頂壓機的硬質(zhì)合金壓缸。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的描述。
實施例1參見附圖1-3。
一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，該制備方法包括以下步驟(1)配料球磨將納米Al2O3粉、納米SiC粉按70Vol％Al2O3-30Vol％SiC的體積百分比例取量配料后，混合置于行星式球磨機中、在無水乙醇溶劑中以400轉(zhuǎn)/分鐘球磨10小時，然后經(jīng)過濾、在60-120℃下干燥、過60目篩，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體；(2)成型在室溫、10MPa的壓力下，用鋼模將納米復(fù)合粉料預(yù)壓成Φ28.6×10mm的圓片，然后將預(yù)壓成型后的圓片放入的橡膠彈性模中，在200MPa的壓力下冷等靜壓成型為坯體1；(3)坯體熱處理將冷等靜壓后的坯體1在真空下700℃熱處理60分鐘，除去水分和可揮發(fā)性雜質(zhì)；
(4)坯體組裝將熱處理后的坯體1放入鉬杯2中，以防止污染，然后將鉬杯2放入導(dǎo)熱絕緣杯3中，再將導(dǎo)熱絕緣杯3放入石墨發(fā)熱體4中，之后將石墨發(fā)熱體4裝入白云石柱筒5內(nèi)，然后將傳壓填料7填入鉬杯2與導(dǎo)熱絕緣杯3之間的間歇中、在白云石柱筒5兩端蓋上堵頭6，獲得組裝芯塊；白云石作為傳壓介質(zhì)，石墨發(fā)熱體作加熱爐用；(5)高壓燒結(jié)將組裝芯塊放入兩面頂壓機中，先加壓到4.5GPa，達到壓力之后開始加熱，加熱到1100℃，然后在4.5GPa、1100℃下保溫30分鐘；燒好之后，降溫、卸壓、取出，即獲得納米-納米型Al2O3-30Vol％SiC復(fù)相陶瓷；(6)測試分析剝掉燒結(jié)后坯體上的鉬箔，制樣，進行掃描電鏡測試，掃面電鏡(SEM)照片如圖3所示，樣品(即燒結(jié)后獲得的復(fù)相陶瓷)的晶粒尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸約為70nm。經(jīng)測量，樣品的相對密度為97.61％。
實施例2參見附圖1、2、4。
一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，該制備方法包括以下步驟(1)配料球磨將納米Al2O3粉、納米SiC粉按95Vol％Al2O3-5Vol％SiC的體積百分比例取量配料后，混合置于行星式球磨機中、在無水乙醇溶劑中以150轉(zhuǎn)/分鐘球磨24小時，然后經(jīng)過濾、在60-120℃下干燥、過80目篩，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體；(2)成型在室溫、5MPa的壓力下，用鋼模將納米復(fù)合粉料預(yù)壓成Φ18×10mm的圓片，然后將預(yù)壓成型后的圓片放入的橡膠彈性模中，在250MPa的壓力下冷等靜壓成型為坯體1；(3)坯體熱處理將冷等靜壓后的坯體1在真空下700℃熱處理1小時，除去水分和可揮發(fā)性雜質(zhì)；(4)坯體組裝將熱處理后的坯體1放入鉬杯2中，以防止污染；然后將鉬杯2放入導(dǎo)熱絕緣杯3中，再將導(dǎo)熱絕緣杯3放入石墨發(fā)熱體4中，之后將石墨發(fā)熱體4裝入白云石柱筒5內(nèi)，然后將傳壓填料7填入鉬杯2與導(dǎo)熱絕緣杯3之間的間歇中、在白云石柱筒5兩端蓋上堵頭6，獲得組裝芯塊；白云石作為傳壓介質(zhì)，石墨發(fā)熱體作加熱爐用；(5)高壓燒結(jié)將組裝芯塊放入兩面頂壓機中，先加壓到4.5GPa，達到壓力之后開始加熱，加熱到1100℃，然后在4.5GPa、1100℃下保溫10分鐘；燒好之后，降溫、卸壓、取出坯體，即獲得納米-納米型Al2O3-5Vol％SiC復(fù)相陶瓷；(6)測試分析剝掉燒結(jié)后坯體上的鉬箔，制樣，進行掃描電鏡測試，掃面電鏡(SEM)照片如圖4所示，樣品(即燒結(jié)后獲得的復(fù)相陶瓷)的晶粒尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸約為80nm。經(jīng)測量，樣品的相對密度為95.45％。
實施例3參見附圖1、2、5。
一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，該制備方法包括以下步驟(1)配料球磨將納米Al2O3粉、納米SiC粉按80Vol％Al2O3-20Vol％SiC的體積百分比例取量配料后，混合置于行星式球磨機中、在無水乙醇溶劑中以400轉(zhuǎn)/分鐘球磨48小時，然后經(jīng)過濾、在60-120℃下干燥、過20目篩，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體；(2)成型在室溫、5MPa的壓力下，用鋼模將納米復(fù)合粉料預(yù)壓成Φ28.6×10mm的圓片，然后將預(yù)壓成型后的圓片放入的橡膠彈性模中，在250MPa的壓力下冷等靜壓成型為坯體1；(3)坯體熱處理將冷等靜壓后的坯體1在真空下600℃熱處理1小時，除去水分和可揮發(fā)性雜質(zhì)；(4)坯體組裝將熱處理后的坯體1放入鉬杯2中，以防止污染；然后將鉬杯2放入導(dǎo)熱絕緣杯3中，再將導(dǎo)熱絕緣杯3放入石墨發(fā)熱體4中，之后將石墨發(fā)熱體4裝入白云石柱筒5內(nèi)，然后將傳壓填料7填入鉬杯2與導(dǎo)熱絕緣杯3之間的間歇中、在白云石柱筒5兩端蓋上堵頭6，獲得組裝芯塊；白云石作為傳壓介質(zhì)，石墨發(fā)熱體作加熱爐用；(5)高壓燒結(jié)將組裝芯塊放入兩面頂壓機中，先加壓到4.5GPa，達到壓力之后開始加熱，加熱到1300℃，然后在4.5GPa、1300℃下保溫50分鐘；燒好之后，降溫后卸壓并取出，即獲得納米-納米型Al2O3-20Vol％SiC復(fù)相陶瓷；(6)測試分析剝掉燒結(jié)后坯體上的鉬箔，制樣，進行掃描電鏡測試，掃面電鏡(SEM)照片如圖5所示，樣品(即燒結(jié)后獲得的復(fù)相陶瓷)的晶粒尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸約為60nm。經(jīng)測量，樣品的相對密度為97.83％。
實施例4-9一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷，該復(fù)相陶瓷的體積百分比例組成分別見下表

該納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法同實施例1、2或3、或與本發(fā)明內(nèi)容中所述的工藝方法和條件、參數(shù)相同，略。
本發(fā)明不限于上述實施例，本發(fā)明內(nèi)容所述均可實施并具有所述良好效果。
權(quán)利要求
1.一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷，其特征是該復(fù)相陶瓷的體積百分組成為納米Al2O350Vol.％-95Vol.％、納米SiC、TiC、Si3N4、AlN、BN、TiN或ZrB25Vol.％-50Vol.％。
2.一種納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是包括如下步驟a、配料球磨按納米Al2O3粉50Vol.％-95Vol.％、增韌補強相納米SiC、TiC、Si3N4、AlN、BN、TiN或ZrB2粉5Vol.％-50Vol.％的體積百分比例分別取量配料后，混合置于球磨機中球磨10-50小時，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體；b、成型將經(jīng)過球磨后的納米復(fù)合粉料通過鋼模、在5-40MPa的壓力下預(yù)壓成型為圓柱體、正方體、長方體或相似形狀的坯模，然后置于100-250MPa的壓力下冷等靜壓成型為坯體(1)；c、坯體熱處理將冷等靜壓后的坯體(1)在真空或惰性氣氛或氮氣保護下于400-900℃熱處理，除去坯體中的水分和可揮發(fā)性雜質(zhì)；d、坯體組裝將熱處理后的坯體(1)放入鉬杯(2)中、然后將鉬杯(2)放入導(dǎo)熱絕緣杯(3)中、再將導(dǎo)熱絕緣杯(3)放入石墨發(fā)熱體(4)中、再將石墨發(fā)熱體(4)裝入白云石柱筒(5)內(nèi)、然后將傳壓填料(7)填入鉬杯(2)與導(dǎo)熱絕緣杯(3)之間的間歇中、在白云石柱筒(5)兩端蓋上堵頭(6)，獲得組裝芯塊；e、高壓燒結(jié)將組裝芯塊放入兩面頂壓機中，加壓到1-8Gpa時開始加熱，以100-300℃/分鐘的速率升溫，升溫到1100-1600℃，然后保壓保溫10-60分鐘；降溫、卸壓、取出坯體，即制得復(fù)相陶瓷產(chǎn)品。
3.按權(quán)利要求2所述納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是步驟(a)中所述的球磨是在溶劑無水乙醇、含水乙醇、丙酮、水中濕法球磨，然后經(jīng)過濾、在60-120℃下干燥、過12-80目篩，獲得增韌補強相分散均勻的納米復(fù)合粉體。
4.按權(quán)利要求2所述納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是步驟(b)中所述的預(yù)壓成型是預(yù)壓成型為直徑10-40mm、高度5-20mm的圓柱狀片。
5.按權(quán)利要求2所述納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是步驟(c)中所述熱處理的時間為20-60分鐘。
6.按權(quán)利要求2所述納米-納米型Al2O3基復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征是步驟(b)中所述坯模放入的橡膠彈性模中，然后置于100-250MPa的壓力下冷等靜壓成型。
全文摘要
一種納米－納米型Al
文檔編號C04B35/622GK1986483SQ200610022610
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月25日
發(fā)明者滕元成, 孫致平, 楊濱維, 魯偉員 申請人:西南科技大學(xué)