專利名稱：一種氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料及其制備方法，屬 于氧化鋯基陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋯(Zr02)陶瓷具有高熔點和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，從20世紀(jì)70 年代開始得到研究者的重視。在不同溫度下，氧化鋯主要以三種同質(zhì)異形 體存在，即單斜晶系(m-Zr02)、四方晶系(t-ZrOJ和立方晶系(c-Zr02)。純 的ZrO,在燒結(jié)冷卻過程中發(fā)生四方相到單斜相的馬氏體相變時伴隨有 3%~5%的體積變化，從而導(dǎo)致材料容易開裂，使得氧化鋯塊材在工程應(yīng)用 上受到限制。
為了消除相變引起的體積變化，研究發(fā)現(xiàn)在純的Zr02中加入穩(wěn)定劑， 在高溫?zé)Y(jié)時將形成四方相或立方相固熔體，在冷卻時可以消除四方相向 單斜相轉(zhuǎn)變。常用的穩(wěn)定劑有丫203、 Mg0、 Ca0、 Ce02和Sc203等。穩(wěn)定的Zr02 具有高韌性和耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于金屬等優(yōu)點， 因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。但是，研究發(fā)現(xiàn)Y2(h穩(wěn)定的Zr02 ( YSZ) 在100-400。C的低溫區(qū)長期使用時，材料表面向內(nèi)部發(fā)生四方相到單斜相 的等溫相變，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降，即發(fā)生低溫性能老化。"02穩(wěn)定的 Zr02具有較高的斷裂軔度和良好的抗低溫水熱老化性能，不足之處是硬度 和強度偏低。
同時穩(wěn)定的Zr02也是優(yōu)良的氧離子導(dǎo)體，在固體氧化物燃料電池、氧 傳感器中作為固體電解質(zhì)材料得到了廣泛的應(yīng)用。對于Zr02固體電解質(zhì)材 料，目前研究較多的是YSZ。在Zr02基的電解質(zhì)材料中，摻雜效果最好的 是S"03摻雜的Zr02,其電導(dǎo)率在IOO(TC時可達(dá)到0. 3S . cm-\是目前文 獻(xiàn)報道較好的8%-10%(摩爾分?jǐn)?shù))￥203穩(wěn)定的氧化鋯(8YSZ)電導(dǎo)率的兩
倍。但是大多數(shù)Sc20fZr02的材料，由于在燒結(jié)過程中形成亞穩(wěn)態(tài)相，會 使電導(dǎo)率下降很快，穩(wěn)定性很差。Teighery等也對A1A捧雜的YSZ進行 了研究，發(fā)現(xiàn)5%-10%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)"1 203的摻雜對8YSZ材料的性能有很大
的改善。
常見的Zr02穩(wěn)定劑是稀土或堿土氧化物，而且只有離子半徑與Zr"半 徑相差不超過40%的氧化物才能作為氧化鋯的穩(wěn)定劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一 種具有很好穩(wěn)定性的氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種氧化錳穩(wěn)定的 四方氧化鋯陶瓷材料，其特征在于由以下摩爾百分?jǐn)?shù)的原料組成穩(wěn)定劑 10%~30%，氧化鋯70%~90%，所述穩(wěn)定劑為過渡金屬氧化物氧化錳。
本發(fā)明的另一目的是提供一種工藝簡單、成本低的制備氧化錳穩(wěn)定的 四方氧化鋯陶瓷材料的方法，其特征在于制備過程為首先稱量氧化鋯和 氧化錳，將稱量好的氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨 混合，釆用單向干壓法，在8 10MPa的壓力下將所述混合粉壓結(jié)成陶瓷
片，將所述陶瓷片放入高溫管式爐中燒結(jié)，使用的熱處理制度為升溫速 率小于30(TC/h，氬氣氣氛下1300 140(TC高溫保溫12h 24h,然后隨
爐冷卻，即制得氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料。
本發(fā)明以氧化鋯為基體， 一種過渡金屬氧化物氧化錳作為穩(wěn)定劑，釆 用固態(tài)燒結(jié)法制備單一穩(wěn)定劑穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷。合成工藝技術(shù)條件及操 作方法簡明，為開發(fā)穩(wěn)定氧化鋯技術(shù)提供了新的思路。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
1、 突破傳統(tǒng)的利用稀土或堿土金屬氧化物來穩(wěn)定氧化鋯的局限，獨具 特色地釆用過渡金屬氧化物來制備穩(wěn)定氧化鋯，為開發(fā)穩(wěn)定氧化鋯技術(shù)提 供了新的思路。
2、 合成工藝技術(shù)條件及操作方法簡明，具有準(zhǔn)確、高效、反應(yīng)條件易
控制、反應(yīng)充分等特點。
3、制備的氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料的穩(wěn)定性良好。
下面通過實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。
具體實施例方式
實施例l
將分析純的ZrO2和Mn2O3按照Zr0.75Mn0.250(2—delta)的化學(xué)計量比稱量，將稱量 好的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱量按每份l. 5g 稱取若干粉料，釆用單向干壓法，在8MPa的壓力下將粉料壓結(jié)成50mmx 5mm x 2隱的陶瓷片，將陶瓷片放入最高溫度可達(dá)160(TC的高溫管式爐中釆用 30(TC/h的升溫速率，在氬氣氣氛下，130(TC保溫12h，然后隨爐冷卻。得 到的氧化鋯陶瓷經(jīng)X R D檢測為單 一 四方相。
實施例2將分析純的Zr02和Mn203按照Zr0.8Mn0.20(2—delta)的化學(xué)計量比稱量，將稱量好 的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱按量每份2g稱取 若干粉料，采用單向干壓法，在10MPa的壓力下將粉料壓結(jié)成50mm*5mm* 3mm的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中釆用30(TC/h的升溫速率，在氬 氣氣氛下，140(TC保溫12h，然后隨爐冷卻。得到的氧化鋯陶瓷經(jīng)XRD檢測 為單一四方相。
實施例3
將分析純的Zr02和Mn203按照Zr0.75Mn0.250(2—delta)的化學(xué)計量比稱量，將稱量 好的混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，使用天平稱量按每份1.5g 稱取若干粉料，釆用單向干壓法，在lOMPa的壓力下將粉料壓結(jié)成02Omm x2mm的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中釆用20(TC/h的升溫速率，在 氬氣氣氛下，130(TC保溫16h,然后隨爐冷卻。得到的氧化鋯陶瓷經(jīng)XRD檢 測為單一四方相。
權(quán)利要求
1.一種氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料，其特征在于由以下摩爾百分?jǐn)?shù)的原料組成穩(wěn)定劑10％～30％，氧化鋯70％～90％，所述穩(wěn)定劑為過渡金屬氧化物氧化錳。
2.制備如權(quán)利要求1所述的一種氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料 的方法，其特征在于制備過程為首先稱量氧化鋯和氧化錳，將稱量好的 氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，采用單向干壓 法，在8 10MPa的壓力下將所述混合粉壓結(jié)成陶瓷片，將所述陶瓷片放 入高溫管式爐中燒結(jié)，使用的熱處理制度為升溫速率小于300°C/h，氬 氣氣氛下1300 140(TC髙溫保溫12h 24h,然后隨爐冷卻，即制得氧化 錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氧化錳穩(wěn)定的四方氧化鋯陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料以氧化鋯為基體，以過渡金屬氧化物氧化錳作為穩(wěn)定劑，具體制備方法為將稱量好的氧化鋯和氧化錳混合粉倒入研缽中，進行充分的研磨混合，采用單向干壓法，在8～10MPa的壓力下將粉料壓結(jié)成一定形狀的陶瓷片，將陶瓷片放入高溫管式爐中燒結(jié)，使用的熱處理制度為升溫速率小于300℃/h，氬氣氣氛下1300～1400℃保溫12h～24h，然后隨爐冷卻。本發(fā)明工藝簡單，成本低，采用固態(tài)燒結(jié)工藝制備四方氧化鋯陶瓷，得到的材料具有良好的穩(wěn)定性，是一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷材料和固體電解質(zhì)材料，有利于新型氧化鋯陶瓷材料的應(yīng)用推廣。
文檔編號C04B35/622GK101357845SQ20081015091
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者馮建情, 盧亞鋒, 李成山, 白利鋒, 果 閆, 玲 高 申請人:西北有色金屬研究院