一種無壓燒結(jié)工藝制備yam陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，包括如下步驟：（1）將Y4Al2O9陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然后裝入模具中預(yù)成型；（2）將預(yù)成型后的Y4Al2O9陶瓷進(jìn)行冷等靜壓處理；（3）將冷等靜壓處理后的Y4Al2O9陶瓷在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中，以2～20℃/min的升溫速率升至1500～2000℃，燒結(jié)1～3小時(shí)，得到Y(jié)AM塊體陶瓷；該制備方法不僅大大提高了陶瓷材料的致密度，實(shí)現(xiàn)了Y4Al2O9陶瓷材料的致密度可控，而且可以制備出較大尺寸和復(fù)雜形狀的YAM陶瓷材料，以滿足航天航空領(lǐng)域的特殊需求。
【專利說明】—種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三元氧化物陶瓷及其成型制備方法，具體涉及一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空、航天技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)材料的性能提出了越來越高的要求，尤其是高超聲速飛行器和先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)一超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛速發(fā)展使材料和結(jié)構(gòu)面臨新的挑戰(zhàn)。它們要求材料能夠承受高超聲速飛行面臨的極端熱、力和腐蝕環(huán)境，因此，防隔熱一體化材料是高超聲速臨近空間飛行器防隔熱部件和熱密封組件的關(guān)鍵材料，耐高溫低熱導(dǎo)率材料的研發(fā)具有越來越重要的作用。
[0003]Y-A1-0體系陶瓷具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率和良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗高溫水蒸氣腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越受到人們的關(guān)注。Y-A1-0體系陶瓷主要包括三種相:Y3A15012 (YAG)相，Y4A1209 (YAM)相和 YA103(YAP)相，目前為止，YAG 相是研究最多的 Y-A1-0陶瓷體系。Zhan等人通過利用第一性原理計(jì)算的方法分別研究了 Y-A1-0體系中三個(gè)相的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)YAG、YAM和YAP都具有較低的熱導(dǎo)率，而其中YAM的熱導(dǎo)率最低(YAG: 1.59W.m-1 ?K-1, YAP: 1.6Iff.m-1 ?K-1, YAM: 1.10W.m-1 ?K-1)，同時(shí)Zhan等人從理論上發(fā)現(xiàn)了與YAG相比，YAM陶瓷具有更低的彈性模量(YAG: 290MPa，YAM: 190MPa)，說明YAM陶瓷應(yīng)該具有更加優(yōu)異的抗熱震性能。這些優(yōu)異性能使得YAM (Y4A1209)作為防隔熱一體化結(jié)構(gòu)件、高溫彈性密封元件、抗氧化和水蒸氣涂層在未來的高超聲速臨近空間飛行器中具有潛在的應(yīng)用。
[0004]目前為止，單相YAM塊體陶瓷是采用熱壓法制備得到，但熱壓法所制備的材料尺寸和形狀都有一定的局限性，例如大尺寸或復(fù)雜形狀的材料很難利用熱壓法得到，且致密度差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，該制備方法不僅大大提高了陶瓷材料的致密度，而且可以制備出較大尺寸和復(fù)雜形狀的YAM陶瓷材料，以滿足航天航空領(lǐng)域的特殊需求。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，包括如下步驟:
[0008]( 1)將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然后裝入模具中預(yù)成型；
[0009](2)將預(yù)成型后的Y4A1209陶瓷進(jìn)行冷等靜壓處理；
[0010](3)將冷等靜壓處理后的Y4A1209陶瓷在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中，以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C，燒結(jié)1~3小時(shí)，得到Y(jié)AM塊體陶瓷。
[0011]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體的顆粒度為1~5微米。
[0012]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體使用前進(jìn)行細(xì)化處理，具體為:以去離子水為介質(zhì)，將υ4αι209陶瓷粉體裝入ai2o3快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然后取出烘干。
[0013]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的質(zhì)量比為100:0.5~5。
[0014]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的預(yù)成型壓力為1~lOMPa，在最高壓力下保壓2~10分鐘，卸壓。
[0015]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(2)中Y4A1209陶瓷進(jìn)行冷等靜壓處理的壓力為50~280MPa。
[0016]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(3)中Y4A1209陶瓷在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的升溫速率為5~10°C /min。
[0017]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，步驟(3)中的惰性氣體為氬氣、氦氣、氣氣或氖氣。
[0018]在上述無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法中，惰性氣體為純度> 99.99%的氬氣。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0020](1)、本發(fā)明首次將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合制備YAM陶瓷材料，由于PVA是一種水溶性粘接劑，對(duì)YAM陶瓷有很好的粘接作用，同時(shí)本發(fā)明對(duì)制備工藝進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過預(yù)壓實(shí)、冷等靜壓處理、無壓燒結(jié)等工藝進(jìn)行YAM陶瓷材料的制備，該制備方法不僅大大提高了 YAM陶瓷材料的致密度，冷等靜壓處理后的樣品致密度為理論密度的40~60%，而且可以制備出較大尺寸和復(fù)雜形狀的YAM陶瓷材料；
[0021](2)、本發(fā)明采用無壓燒結(jié)工藝進(jìn)行YAM陶瓷材料的制備，燒結(jié)時(shí)不需要壓力，克服了傳統(tǒng)熱壓工藝成型，受熱壓爐`尺寸限制，需要一邊升溫，一邊加壓，不能制備出尺寸較大和形狀復(fù)雜(例如只能為圓柱、方形等規(guī)則形狀)的陶瓷材料的缺陷，制備過程體積不受限制，可以根據(jù)實(shí)際需要通過設(shè)計(jì)不同復(fù)雜形狀的模具，從而制備出各種復(fù)雜形狀的陶瓷材料，以滿足航天航空領(lǐng)域的特殊需求；
[0022](3)、本發(fā)明通過大量實(shí)驗(yàn)繪制出無壓燒結(jié)工藝制備Y4A1209 (YAM)陶瓷的過程中，材料致密度隨燒結(jié)溫度的變化曲線，實(shí)際制備過程中根據(jù)該曲線通過設(shè)定燒結(jié)溫度即可獲得所需致密度的陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了致密度可控的YAM塊體陶瓷材料或坯體陶瓷材料的制備;
[0023](4)、本發(fā)明制備得到的Y4A1209(YAM)陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、低模量、良好的抗熱震性能以及低熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，作為耐高溫隔熱結(jié)構(gòu)材料在航空、航天工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的潛力；
[0024](5)、本發(fā)明無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷材料的工藝方法簡單方便，易于實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明利用無壓燒結(jié)工藝制備Y4A1209陶瓷的過程中材料致密度隨燒結(jié)溫度的變化曲線；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3中冷等靜壓處理后的YAM陶瓷樣品與無壓燒結(jié)后的YAM陶瓷樣品對(duì)比圖；[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3中YAM陶瓷在1800°C燒結(jié)2小時(shí)的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述: [0029]本發(fā)明無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，具體包括如下步驟:
[0030]步驟(一)、對(duì)￥一1209陶瓷粉體進(jìn)行細(xì)化處理，具體為:以去離子水為介質(zhì)，裝入A1A快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然后取出烘干。
[0031]步驟(二)、將烘干后的Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇(PVA)按質(zhì)量比為100:0.5~5混合均勻，然后裝入模具中預(yù)成型，采用的壓力為1~lOMPa，在最高壓力(預(yù)成型壓力)下保壓2~10分鐘，卸壓。模具可以為圓柱形、立方體形等，或根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種復(fù)雜形狀，且模具材料可以靈活選擇，例如不銹鋼模具。
[0032]步驟(三)、將預(yù)成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中冷等靜壓處理，采用的壓力為50~280MPa。
[0033]步驟(四)、將冷等靜壓處理后的塊體Y4A1209(YAM)陶瓷裝入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C燒結(jié)1~3小時(shí)，升溫速率優(yōu)選5~10°C /min，利用上述工藝最終得到不同致密度的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0034]上述Y4A1209 (YAM)陶瓷粉粒度范圍為1~5微米；冷等靜壓處理后的樣品致密度為理論密度的40~60%,燒結(jié)方式為無壓燒結(jié)；惰性氣體為IS氣、氦氣、氣氣或氖氣,優(yōu)選純度≥99.99%的氬氣。
[0035]本發(fā)明無壓燒結(jié)工藝制備Y4A1209陶瓷的過程中制備得到的材料致密度與燒結(jié)溫度與冷等靜壓均有關(guān)，如圖1所示為本發(fā)明利用無壓燒結(jié)工藝制|Y4A1209陶瓷的過程中材料致密度隨燒結(jié)溫度的變化曲線，實(shí)際制備過程中根據(jù)該曲線通過設(shè)定燒結(jié)溫度即可獲得所需致密度的陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了致密度可控的YAM塊體陶瓷材料或坯體陶瓷材料的制備。
[0036]實(shí)施例1
[0037]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進(jìn)行細(xì)化處理，以去離子水為介質(zhì)，快速球磨5分鐘，然后取出烘干。將^1209粉體與聚乙烯醇(PVA)按質(zhì)量比為100:0.5混合均勻后裝入不銹鋼模具中，模具形狀為圓柱形，然后利用IMPa的壓力預(yù)成型，在IMPa下保壓2分鐘后卸壓。將預(yù)成型的Y4A1209(YAM)陶瓷裝入橡膠模具中采用50MPa的壓力冷等靜壓處理。最后將冷等靜壓處理的￥41209 (￥411)陶瓷裝入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度≥99.99%的氬氣)保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中以2°C /min的升溫速率升至1500°C燒結(jié)1小時(shí)。
[0038]利用上述工藝最終得到致密度為70%WY4A1209(YAM)陶瓷。
[0039]實(shí)施例2
[0040]將Y4A1209(YAM)陶瓷粉體利用A1203快速球磨罐進(jìn)行細(xì)化處理，以去離子水為介質(zhì)，快速球磨30分鐘，然后取出烘干。將Y4A1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質(zhì)量比為100:2混合均勻后裝入不銹鋼模具中，模具形狀為立方體形，然后利用5MPa的壓力預(yù)成型，在5MPa下保壓5分鐘后卸壓。將預(yù)成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中采用150MPa的壓力冷等靜壓處理。最后將經(jīng)過冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度> 99.99%的氬氣)保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中以10°C /min的升溫速率升至1700°C燒結(jié)2小時(shí)。
[0041]利用上述工藝最終得到致密度為91°/d^Y4Al209(YAM)陶瓷。
[0042]實(shí)施例3
[0043]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進(jìn)行細(xì)化處理，以去離子水為介質(zhì)，快速球磨60分鐘，然后取出烘干。將￥4么1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質(zhì)量比為100:4混合均勻后裝入不銹鋼模具中，模具形狀為圓柱形，然后利用8MPa的壓力預(yù)成型，保壓10分鐘后卸壓。將預(yù)成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中采用250MPa的壓力冷等靜壓處理。最后將冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(氙氣)保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中以15°C /min的升溫速率升至1800°C燒結(jié)2小時(shí)。[0044]利用上述工藝最終得到致密度為100%的Y4A1209(YAM)陶瓷。
[0045]如圖2所示為本實(shí)施例中冷等靜壓處理后的YAM陶瓷樣品與無壓燒結(jié)后的YAM陶瓷樣品對(duì)比圖，其中左圖為冷等靜壓處理后的YAM陶瓷樣品，右圖為無壓燒結(jié)后的YAM陶瓷樣品，由圖可知燒結(jié)后的陶瓷樣品與燒結(jié)前相比，均勻收縮、且沒有開裂。
[0046]如圖3所示為本實(shí)施例中YAM陶瓷在1800°C燒結(jié)2小時(shí)的掃描電鏡照片，由圖可知YAM陶瓷樣品致密度好，且沒有開裂和氣泡。
[0047]實(shí)施例4
[0048]將Y4A1209 (YAM)陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中進(jìn)行細(xì)化處理，以去離子水為介質(zhì)，快速球磨40分鐘，然后取出烘干。將Y4A1209粉料與聚乙烯醇(PVA)按質(zhì)量比為100:3混合均勻后裝入不銹鋼模具中，模具設(shè)計(jì)為所需的不規(guī)則形狀，然后利用6MPa的壓力預(yù)成型，保壓5分鐘后卸壓。將預(yù)成型的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入橡膠模具中采用200MPa的壓力冷等靜壓處理。最后將冷等靜壓處理的Y4A1209 (YAM)陶瓷裝入涂有BN的石墨模具中，在通有惰性氣體(純度≥99.99%的氬氣)保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中以20°C /min的升溫速率升至1850°C燒結(jié)2小時(shí)。
[0049]利用上述工藝最終得到致密度為98%的Y4A1209 (YAM)陶瓷，但材料有輕微的分解現(xiàn)象。
[0050]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0051]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA混合均勻，然后裝入模具中預(yù)成型； (2)將預(yù)成型后的Y4A1209陶瓷進(jìn)行冷等靜壓處理； (3)將冷等靜壓處理后的Y4A1209陶瓷在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中，以2~20°C /min的升溫速率升至1500~2000°C，燒結(jié)1~3小時(shí)，得到Y(jié)AM塊體陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體的顆粒度為1~5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(1)中y4ai2o9陶瓷粉體使用前進(jìn)行細(xì)化處理，具體為:以去離子水為介質(zhì)，將y4ai2o9陶瓷粉體裝入A1203快速球磨罐中快速磨5~60分鐘，然后取出烘干。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的質(zhì)量比為100:0.5~5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(1)中Y4A1209陶瓷粉體與聚乙烯醇PVA的預(yù)成型壓力為1~lOMPa，在最高壓力下保壓2~10分鐘，卸壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(2)中Y4A1209陶瓷進(jìn)行冷等靜壓處理的壓力為50~280MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(3)中Y4A1209陶瓷在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的升溫速率為5~10°C /min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的惰性氣體為氬氣、氦氣、氙氣或氖氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種無壓燒結(jié)工藝制備YAM陶瓷的方法，其特征在于:所述惰性氣體為純度> 99.99%的氬氣。
【文檔編號(hào)】C04B35/505GK103553615SQ201310381787
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】盧新坡, 周延春 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院