專利名稱：一種通過(guò)鋯鋁碳氧化制備氧化鋯-氧化鋁復(fù)相材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能復(fù)相陶瓷材料的制備技術(shù)，特別提供了一種通過(guò)鋯鋁碳氧化制 備氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3)納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3)納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料是一種有廣泛應(yīng)用前景 的陶瓷復(fù)相材料。它綜合了高硬度、高模量、高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、低熱導(dǎo)、優(yōu)異的生物 相容性等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)結(jié)構(gòu)件、熱障涂層和人工生物修復(fù)替代材料等高新技術(shù)領(lǐng)域都有廣 泛的應(yīng)用前景。盡管氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3)納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料具有如此優(yōu) 異的性能，制備上的困難限制了它的應(yīng)用。迄今為止，關(guān)于氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3) 納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料制備方面的文獻(xiàn)報(bào)道有很多。主要方法有1)機(jī)械球磨(J.Am. Ceram-Soc.(美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)會(huì)刊)89 (2006) 1280) ；2)燃燒合成(J. Mater. Res.(材料研究 學(xué)報(bào))13 (1998) 156) ；3)共沉淀(Ceram. Inter.(陶瓷國(guó)際)34 (2008) 1797) ；4)溶膠-凝 膠(J. Am. Ceram. Soc.(美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)會(huì)刊)90 (2007) 298)。但這些方法各有缺點(diǎn)，機(jī)械球磨 這種合成方法耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)粉體的納米化程度有限，不容易使&02和Al2O3在納米尺度均勻混 合；燃燒合成、共沉淀和溶膠_凝膠技術(shù)都為軟化學(xué)合成，過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，產(chǎn)生較多廢水廢 渣，還可能會(huì)引入一些有毒試劑。因此，探索一種新的制備氧化鋯-氧化鋁納米晶或超細(xì)晶 復(fù)相材料的方法就很有意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了 一種通過(guò)原位氧化三元鋯鋁碳化合物制備氧化鋯_氧 化鋁納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料的方法。該方法以ZrAl4C4、Zr2Al3C4, Zr3Al3C5, ^2Al4C5和 ^3Al4C6粉為原料，在較低溫度、短時(shí)間內(nèi)合成了氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3)納米晶或超 細(xì)晶復(fù)相材料，解決現(xiàn)有技術(shù)制備的氧化鋯-氧化鋁(ZrO2-Al2O3)納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材 料不實(shí)用等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種通過(guò)鋯鋁碳氧化制備氧化鋯_氧化鋁納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料的方法，該方 法特征在于1)原料組成及成分范圍以&A14C4、Zr2Al3C4, Zr3Al3C5, Zr2Al4C5 或 Zr3Al4C6 粉為原料，合成 &02-Α1203 納 米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料中的&02和Al2O3化學(xué)計(jì)量比(即摩爾比)分別為&02 Al2O3 = 1 2、2 1. 5、2 1、1 1 禾口 3 1。2)制備工藝首先，原料經(jīng)過(guò)球磨5 50小時(shí)，在空氣中以0. 5 100°C /min (優(yōu)選為1 20°C / min)的升溫速率加熱至700°C 1500°C (優(yōu)選為1000°C 1200°C )原位氧化0 100小 時(shí)(優(yōu)選為5 20小時(shí))，制得氧化鋯-氧化鋁復(fù)相粉體，ZrO2和Al2O3在納米尺度混合均勻；然后，以2 20MPa(優(yōu)選為5 IOMPa)的壓力冷壓成餅狀，冷壓時(shí)間1 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(如氬氣)作為保護(hù)氣(或真空下)的熱壓爐中以2 500C /min(優(yōu)選為5 30°C /min)的升溫速率加熱至1000°C 1600°C (優(yōu)選為1100°C 13000C )原位熱壓0. 5 4小時(shí)(優(yōu)選為1 2小時(shí))，熱壓壓力為20 40MPa(優(yōu)選為 30MPa)。本發(fā)明中，三元鋯鋁碳化合物的粒度為200 400目；采用本發(fā)明方法獲得的 ZrO2-Al2O3復(fù)相陶瓷塊體材料大小在Φ (25 100)mmX (2 50)mm，材料為納米晶或超細(xì) 晶，晶粒尺寸分別為5 IOOnm和0. 1 0. 5 μ m。本發(fā)明的特點(diǎn)是1.本發(fā)明選用原料簡(jiǎn)單，為 &A14C4、Zr2Al3C4, Zr3Al3C5, Zr2Al4C5 和 Zr3Al4C6 粉。2.本發(fā)明通過(guò)原位氧化反應(yīng)合成納米尺度混合均勻的^O2-Al2O3復(fù)相粉體，然后 再通過(guò)熱壓的方法獲得納米晶或超細(xì)晶^O2-Al2O3塊體復(fù)相材料。3.本發(fā)明可以在較低溫度下、短時(shí)間內(nèi)合成氧化鋯-氧化鋁納米晶或超細(xì)晶復(fù)相 材料，采用本發(fā)明方法獲得的材料可作為結(jié)構(gòu)陶瓷部件和生物修復(fù)替代材料使用。


圖1為Zr3Al3C5粉體在900°C 1500°C氧化后制得的ZrO2-Al2O3復(fù)相粉體X-射線 衍射圖譜。圖2為復(fù)相粉體X-射線衍射圖譜；其中，(a) Zr2Al3C4粉體在1000 V制得的 ZrO2-Al2O3復(fù)相粉體X-射線衍射圖譜；(b-f)依次為復(fù)相粉體在1100°C 1500°C熱壓1小 時(shí)后所得的^O2-Al2O3塊體復(fù)相材料X-射線衍射圖譜。圖3為在1100°C熱壓制得的^O2-Al2O3納米復(fù)相材料；其中，(a)透射照片和(b) 高分辨照片。圖4為在1300°C 1500°C熱壓制得的^O2-Al2O3超細(xì)晶復(fù)相材料的掃描電鏡照 片；其中，(a)禾Π (b)為 1300°C ； (c)禾Π (d)為 1400°C ； (e)禾Π (f)為 1500°C。圖5為在1100°C 1500°C熱壓制得的^O2-Al2O3復(fù)相材料的密度和顯微硬度與
燒結(jié)溫度的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1.原料采用粒度為200目左右的&3A13C5粉10克，球磨5小時(shí)，在空氣爐中以10°C/ min的升溫速率升至900°C 1500°C原位氧化反應(yīng)5分鐘，制備&02-Α1203復(fù)相粉體，粉體 粒度為0. 1-10 μ m, ZrO2和Al2O3在納米尺度均勻混合。所得的復(fù)相納米粉體中和Al2O3 化學(xué)計(jì)量比為 Al2O3 = 2 1。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜在附圖1中給出。實(shí)施例2.原料采用粒度為400目左右的&2A13C4粉20克，球磨20小時(shí)，在空氣爐中以2°C/ min的升溫速率升至1000°C原位氧化反應(yīng)20小時(shí)，制備^O2-Al2O3復(fù)相粉體，粉體粒度為 0. 1-10 μ m, ZrO2和Al2O3在納米尺度均勻混合。所得的復(fù)相納米粉體中和Al2O3化學(xué)計(jì)量比為&02 Al2O3 = 2 1.5。相應(yīng)的χ-射線衍射圖譜列在附圖2(a)上。實(shí)施例3.把實(shí)施例2中所得的復(fù)相粉體在IOMPa的壓力下冷壓成餅狀，冷壓時(shí)間5分鐘，裝入石墨模具中，在通有氬氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中以20°C /min的升溫速率升至1100°C原 位反應(yīng)熱壓1小時(shí)，熱壓壓力為40MPa，獲得的&02-Α1203納米復(fù)相材料，復(fù)相陶瓷塊體材 料大小在Φ25mmX 10mm，材料的平均晶粒尺寸為30nm。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜列在附圖 2(b)上，透射電鏡照片列在附圖3上，密度和硬度值列在附圖5上。實(shí)施例4.把實(shí)施例2中所得的復(fù)相粉體在15MPa的壓力下冷壓成餅狀冷壓時(shí)間10分鐘，裝 入石墨模具中，在通有氬氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中以10°c /min的升溫速率升至1300°C 1500°C原位反應(yīng)熱壓1小時(shí)，熱壓壓力為30MPa，獲得的&02-Α1203超細(xì)晶復(fù)相材料，復(fù) 相陶瓷塊體材料大小在O50mmX8mm，材料的平均晶粒尺寸分別為0. 15ym,0. 35 μ m和 0.55μπι。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜列在附圖2 (d-f)上，掃描電鏡照片列在附圖4上，密度 和硬度值列在附圖5上。
權(quán)利要求
一種通過(guò)鋯鋁碳氧化制備氧化鋯-氧化鋁復(fù)相材料的方法，其特征在于1)原料組成及成分范圍以ZrAl4C4、Zr2Al3C4、Zr3Al3C5、Zr2Al4C5和Zr3Al4C6粉為原料，合成ZrO2-Al2O3納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料中的ZrO2和Al2O3化學(xué)計(jì)量比分別為ZrO2∶Al2O3＝1∶2、1∶1.5、2∶1、1∶1和3∶1；2)制備工藝首先，原料經(jīng)過(guò)球磨5～50小時(shí)，在空氣中以0.5～100℃/min的升溫速率加熱至700℃～1500℃原位氧化0～100小時(shí)，制得納米尺度混合均勻的氧化鋯-氧化鋁復(fù)相粉體；然后，以2～20MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時(shí)間1～30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護(hù)氣或真空下的熱壓爐中，以2～50℃/min的升溫速率加熱至1000℃～1600℃原位熱壓0.5～4小時(shí)，熱壓壓力為20～40MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及高性能復(fù)相陶瓷材料的制備技術(shù)，特別提供了一種通過(guò)原位氧化三元鋯鋁碳化合物制備氧化鋯-氧化鋁納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)制備的氧化鋯/氧化鋁納米晶或細(xì)晶復(fù)相材料不實(shí)用等問題。首先，采用合成的鋯鋁碳陶瓷粉為原料，原料經(jīng)過(guò)球磨，在空氣中加熱至700℃～1500℃原位氧化0～100小時(shí)，制得納米尺度混合均勻氧化鋯-氧化鋁復(fù)相粉體；然后，冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護(hù)氣(或真空下)的熱壓爐中加熱至1000℃～1600℃原位熱壓0.5～4小時(shí)，熱壓壓力為20～40MPa。本發(fā)明可以在較低溫度下、短時(shí)間內(nèi)合成氧化鋯-氧化鋁納米晶或超細(xì)晶復(fù)相材料，采用本發(fā)明方法獲得的材料可以作為結(jié)構(gòu)陶瓷部件和生物修復(fù)替代材料使用。
文檔編號(hào)C04B35/10GK101823870SQ20091001056
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者何靈峰, 包亦望, 周延春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所