一種zta陶瓷的微波燒結(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括：1)將混合料采用注漿成型制成生坯，將生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；2)開啟微波源，以5～10℃/min的速率升溫至排濕結(jié)束；以10～15℃/min的速率升溫至反射功率穩(wěn)定；再以5～10℃/min的速率升溫至1400～1550℃，保溫30～50min后，自然冷卻至室溫，即得。本發(fā)明的微波燒結(jié)方法，所得ZTA陶瓷致密無開裂，氣孔率為0.1％～0.2％，硬度約為14.0GPa，燒結(jié)周期僅為240～270min，燒結(jié)時間短，燒結(jié)溫度低，節(jié)省了大量能源；工藝簡單，操作方便，適合工業(yè)化快速生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于ZTA陶瓷【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]ZTA(Zirconia Toughened Alumina)為氧化錯增韌氧化招復(fù)相陶瓷,氧化錯作為燒結(jié)助劑加入到氧化鋁中，促進(jìn)氧化鋁的致密化，或者將氧化鋯顆粒分散在氧化鋁中，利用氧化鋯的t — m相變來提高氧化鋁的綜合性能。ZTA陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、極高的耐磨性等優(yōu)良性能，尤其是其優(yōu)良的常溫力學(xué)性能及耐高溫耐腐蝕性能，倍受科研工作者的青睞，并在陶瓷耐火材料、機(jī)械、電子光學(xué)、航空航天、生物化學(xué)等各領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，商業(yè)應(yīng)用的ZTA工程陶瓷是由不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁和氧化鋯，或添加穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定氧化鋯以及一些微量添加劑為原料制成的，成型工藝主要是等靜壓成型、注漿成型。但是，現(xiàn)有的燒結(jié)工藝仍是常規(guī)燒結(jié)，存在著燒結(jié)周期長、生產(chǎn)效率低、燒結(jié)溫度高和能源浪費的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，解決現(xiàn)有ZTA陶瓷燒結(jié)時間長、燒結(jié)溫度高、能源消耗大的問題。
[0005]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0006]I)取原料粉體制成混合料，采用注漿成型制成生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0007]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，以5?10°C /min的速率升溫至排濕結(jié)束；連續(xù)調(diào)節(jié)微波輸入功率，以10?15°C /min的速率升溫至反射功率穩(wěn)定；再以5?10°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1400?1550°C，保溫30?50min后，關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得所述ZTA陶瓷。
[0008]所述ZTA陶瓷為異形陶瓷。
[0009]所述ZTA陶瓷為偏心陶瓷圓環(huán)。
[0010]步驟I)所述混合料包含以下質(zhì)量百分比的組分=ZrO2粉體10%?50%，Al2O3粉體 50%?90%。
[0011 ] 所述混合料還包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I %的微量添加劑。
[0012]所述微量添加劑為Si02、Ti02、MgO與CaO的質(zhì)量比為1:1:1:1的混合物。
[0013]所述ZrO2粉體為部分穩(wěn)定ZrO2粉體。
[0014]所述部分穩(wěn)定ZrO2粉體是指加入了穩(wěn)定劑的ZrO2粉體。所述部分穩(wěn)定ZrO2粉體中，穩(wěn)定劑的摩爾百分含量為3%。所述穩(wěn)定劑為Y2O3。
[0015]所述輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置包括箱體、箱蓋和位于箱體內(nèi)的輔助加熱體，所述箱體和箱蓋是由輕質(zhì)莫來石磚和莫來石保溫棉制成的。
[0016]所述輔助加熱體為SiC圓柱體。SiC圓柱體的擺放規(guī)律與異形ZTA陶瓷形狀相適應(yīng)，合理調(diào)整放置碳化硅輔助加熱體的數(shù)目及位置。
[0017]步驟2)中，以5?10°C /min的升溫速率燒結(jié)50?60min和/或升溫至300?400°C，即可判斷排濕結(jié)束。
[0018]步驟2)中所述反射功率穩(wěn)定是指電流上下浮動范圍在10 μ A以下。
[0019]從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為240?270min。
[0020]本發(fā)明的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，ZTA陶瓷在低溫下是絕緣陶瓷材料，在高溫下與微波有較好的耦合作用，因此，在低溫情況下，以輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中的輔助加熱體(SiC圓柱體)加熱為主，能將溫度升至400°C以上，達(dá)到ZTA陶瓷與微波有較好耦合作用的溫度；高溫情況下，SiC輔助加熱體的介電損耗很低，以ZTA陶瓷本身的介電損耗為主，吸收電磁能，自身加熱至燒結(jié)溫度，是一種體加熱過程，能夠克服傳統(tǒng)燒結(jié)方式制備ZTA陶瓷存在的燒結(jié)時間長、燒結(jié)溫度高、能源消耗大、易開裂等諸多問題。
[0021]本發(fā)明的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，采用低溫傳統(tǒng)加熱，高溫微波加熱的混合燒結(jié)方式進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程經(jīng)歷緩慢升溫排濕-相對快速升溫預(yù)熱-緩慢升溫?zé)Y(jié)-保溫30?50min-自然冷卻五個階段。低溫緩慢升溫(5?10°C /min)使樣品均勻排濕；相對快速升溫(10?15°C /min)使樣品均勻預(yù)熱，適當(dāng)減少升溫時間:高溫緩慢升溫(5?10°C /min)使樣品均勻燒結(jié)；保溫(30?50min)使樣品充分致密，從而獲得致密無開裂的ZTA陶瓷。
[0022]本發(fā)明的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，將注漿成型所得生坯，連同輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置一起放入微波諧振腔，采用階段升溫的方式進(jìn)行燒結(jié)，根據(jù)氧化物的吸波特性，將傳統(tǒng)燒結(jié)(SiC輔助加熱體吸收微波發(fā)熱，通過內(nèi)層保溫莫來石保溫板將熱量傳到腔體加熱樣品)與微波燒結(jié)結(jié)合，所得ZTA陶瓷致密無開裂，氣孔率為0.2%，硬度為14.0GPa，燒結(jié)周期僅為240?270min，相對于傳統(tǒng)燒結(jié)方式，燒結(jié)時間短，燒結(jié)溫度低，節(jié)省了大量能源；工藝簡單，操作方便，適合工業(yè)化快速生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1的偏心圓環(huán)生坯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為實施例1所用輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置的實物圖；
[0025]圖3為實施例1所用輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中SiC圓柱體分布圖；
[0026]圖4為實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品與生坯的對照圖；
[0027]圖5為實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品與原料的X射線衍射圖；
[0028]圖6為實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品的斷面SEM圖；
[0029]圖7為對比例I所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)的實物圖。

【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0031]實施例1
[0032]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0033]I)取部分穩(wěn)定的ZrO2粉體和Al2O3粉體混合、球磨制成混合料，所述混合料中，ZrO2粉體的質(zhì)量含量為30% ,Al2O3粉體的質(zhì)量含量為70%;采用注漿成型制成偏心圓環(huán)生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0034]所述偏心圓環(huán)生還的結(jié)構(gòu)如圖1所不，內(nèi)圓直徑為95mm,夕卜圓直徑為165mm,圓環(huán)最窄處寬度為25mm,最寬處寬度為45mm。
[0035]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，在低溫階段以5°C /min的速率升溫，保證生坯受熱均勻；溫度升至300°C，排濕結(jié)束后，開始連續(xù)的調(diào)節(jié)微波輸入功率，以13°C /min的速率升溫，適當(dāng)減少升溫時間，又使得ZTA陶瓷能夠充分預(yù)熱，同時監(jiān)測反射功率；待反射功率穩(wěn)定時(電流上下浮動范圍在10 μ A以下)，再以7°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1450°C，保溫50min，使得異形ZTA陶瓷圓環(huán)充分燒結(jié)致密，然后關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得致密無開裂的異形ZTA陶瓷圓環(huán)。
[0036]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置，如圖2所示，包括箱體、箱蓋和位于箱體內(nèi)的輔助加熱體，所述箱體和箱蓋是由輕質(zhì)莫來石磚和莫來石保溫棉制成的；所述輔助加熱體為SiC圓柱體。合理調(diào)整放置碳化硅輔助加熱體的數(shù)目及位置，使SiC圓柱體的擺放規(guī)律與異形ZTA陶瓷形狀相適應(yīng)；具體分布如圖3所示，在輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置3內(nèi)部，SiC圓柱體2分布在偏心陶瓷圓環(huán)樣品I的圓環(huán)內(nèi)和圓環(huán)外，圓環(huán)寬邊內(nèi)外的SiC圓柱體數(shù)量較多，窄邊內(nèi)外數(shù)量較少。
[0037]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的微波諧振腔為TE666大容積微波諧振腔(常規(guī)結(jié)構(gòu))，諧振腔采用微波頻率為2.45GHz，最大輸出功率為1KW的微波源，通過10個磁控管均勻分布在腔體上方，保證諧振腔內(nèi)微波場強(qiáng)分布均勻；腔體頂部設(shè)有排氣裝置及用于插入遠(yuǎn)紅外輻射溫度計的探孔；紅外測溫儀實時監(jiān)測諧振腔內(nèi)樣品溫度，所測溫度范圍為600?1800°C。
[0038]本實施例所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)的氣孔率為0.2%，硬度為14.0GPa，從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為250min。
[0039]實施例2
[0040]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0041]I)取部分穩(wěn)定的ZrO2粉體和Al2O3粉體混合、球磨制成混合料，所述混合料中，ZrO2粉體的質(zhì)量含量為10% ,Al2O3粉體的質(zhì)量含量為90%;采用注漿成型制成偏心圓環(huán)生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0042]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，在低溫階段以6°C /min的速率升溫，保證生坯受熱均勻；溫度升至300°C，排濕結(jié)束后，開始連續(xù)的調(diào)節(jié)微波輸入功率，以10°C /min的速率升溫，適當(dāng)減少升溫時間，又使得ZTA陶瓷能夠充分預(yù)熱，同時監(jiān)測反射功率；待反射功率穩(wěn)定時(電流上下浮動范圍在ΙΟμΑ以下)，再以9°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1550°C，保溫30min，使得ZTA陶瓷充分燒結(jié)致密，然后關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得致密無開裂的異形ZTA陶瓷圓環(huán)。
[0043]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置、微波諧振腔同實施例1。
[0044]本實施例所得ZTA陶瓷的氣孔率為0.1 %，硬度為14.2GPa，從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為260min。
[0045]實施例3
[0046]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0047]I)取部分穩(wěn)定的ZrO2粉體和Al2O3粉體混合、球磨制成混合料，所述混合料中，ZrO2粉體的質(zhì)量含量為50% ,Al2O3粉體的質(zhì)量含量為50%;采用注漿成型制成偏心圓環(huán)生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0048]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，在低溫階段以7V /min的速率升溫，保證生坯受熱均勻；溫度升至350°C，排濕結(jié)束后，開始連續(xù)的調(diào)節(jié)微波輸入功率，以12°C /min的速率升溫，適當(dāng)減少升溫時間，又使得ZTA陶瓷能夠充分預(yù)熱，同時監(jiān)測反射功率；待反射功率穩(wěn)定時(電流上下浮動范圍在ΙΟμΑ以下)，再以6°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1500°C，保溫40min，使得ZTA陶瓷充分燒結(jié)致密，然后關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得致密無開裂的異形ZTA陶瓷圓環(huán)。
[0049]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置、微波諧振腔同實施例1。
[0050]本實施例所得ZTA陶瓷的氣孔率為0.2%，硬度為13.9GPa，從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為255min。
[0051]實施例4
[0052]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0053]I)取部分穩(wěn)定的ZrO2粉體和Al2O3粉體混合、球磨制成混合料，所述混合料中，ZrO2粉體的質(zhì)量含量為20% ,Al2O3粉體的質(zhì)量含量為80%;采用注漿成型制成偏心圓環(huán)生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0054]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，在低溫階段以8°C /min的速率升溫，保證生坯受熱均勻；溫度升至400°C，排濕結(jié)束后，開始連續(xù)的調(diào)節(jié)微波輸入功率，以15°C /min的速率升溫，適當(dāng)減少升溫時間，又使得ZTA陶瓷能夠充分預(yù)熱，同時監(jiān)測反射功率；待反射功率穩(wěn)定時(電流上下浮動范圍在10 μ A以下)，再以10°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1400°C，保溫35min，使得ZTA陶瓷充分燒結(jié)致密，然后關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得致密無開裂的異形ZTA陶瓷圓環(huán)。
[0055]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置、微波諧振腔同實施例1。
[0056]本實施例所得ZTA陶瓷的氣孔率為0.1%，硬度為14.lGPa，從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為240min。
[0057]實施例5
[0058]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，包括下列步驟:
[0059]I)取部分穩(wěn)定的ZrO2粉體和Al2O3粉體混合、球磨制成混合料，所述混合料中，ZrO2粉體的質(zhì)量含量為40% ,Al2O3粉體的質(zhì)量含量為60%;采用注漿成型制成偏心圓環(huán)生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)；
[0060]2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，在低溫階段以10°C /min的速率升溫，保證生坯受熱均勻；溫度升至400°C，排濕結(jié)束后，，開始連續(xù)的調(diào)節(jié)微波輸入功率，以14°C /min的速率升溫，適當(dāng)減少升溫時間，又使得ZTA陶瓷能夠充分預(yù)熱，同時監(jiān)測反射功率；待反射功率穩(wěn)定時(電流上下浮動范圍在10 μ A以下)，再以5°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1500°C，保溫45min，使得ZTA陶瓷充分燒結(jié)致密，然后關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得致密無開裂的異形ZTA陶瓷圓環(huán)。
[0061]本實施例的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法中，所用的輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置、微波諧振腔同實施例1。
[0062]本實施例所得ZTA陶瓷的氣孔率為0.2%，硬度為14GPa，從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為270min。
[0063]實驗例
[0064]本實驗例對實施例1所得ZTA陶瓷的進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4-7所示。
[0065]圖4為實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品與生坯的對照圖。從圖4可以看出，實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品收縮均勻，形狀完好，無裂紋，外觀形狀滿足使用要求。
[0066]實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品與原料的X射線衍射圖如圖5所示。從圖5可以看出，ZTA陶瓷燒結(jié)后，tZr02衍射峰明顯，HiZrO2衍射峰不存在，單斜相氧化鋯轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嘌趸啠鸬胶芎迷鲰g效果，提高使用性能。
[0067]實施例1所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)成品的斷面SEM圖如圖6所示。從圖6可以看出，ZTA陶瓷樣品非常致密，且ZrO2和Al2O3結(jié)合非常致密，也能看到ZrO2顆粒處于Al2O3顆粒的三重點處，有效抑制了 Al2O3晶粒的長大，提高其韌性和強(qiáng)度。
[0068]對比例I采用微波燒結(jié)，低溫階段(600?700°C以下)以15°C /min的速率快速升溫，其余同實施例1 ;所得異形ZTA陶瓷圓環(huán)樣品產(chǎn)生開裂，如圖7所示。原因在于:低溫排濕不均產(chǎn)生局部應(yīng)力，同時由于低溫階段受熱不均，導(dǎo)致局部與微波耦合強(qiáng)烈，產(chǎn)生聚熱，從而造成樣品開裂。
[0069]采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法燒結(jié)異形陶瓷，所需時間為30h以上，燒結(jié)時間長，浪費能源，生產(chǎn)效率低；如采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法短時間快速燒結(jié)，則燒不成樣品，原因在于:傳統(tǒng)燒結(jié)是熱量從樣品表面逐漸傳導(dǎo)到內(nèi)部，升溫過快，容易造成內(nèi)外溫度梯度過大，受熱不均，導(dǎo)致樣品開裂。而本發(fā)明的微波燒結(jié)依靠樣品自身介質(zhì)損耗進(jìn)行，即內(nèi)外同時加熱，適合快速燒結(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)取原料粉體制成混合料，采用注漿成型制成生坯，將所得生坯置于輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置中，并連同裝置一起放入微波諧振腔內(nèi)； 2)開啟微波源，調(diào)節(jié)微波輸入功率，以5?10°C/min的速率升溫至排濕結(jié)束；連續(xù)調(diào)節(jié)微波輸入功率，以10?15°C /min的速率升溫至反射功率穩(wěn)定；再以5?10°C /min的速率升溫至燒結(jié)溫度1400?1550°C，保溫30?50min后，關(guān)閉微波源，自然冷卻至室溫，即得所述ZTA陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述ZTA陶瓷為異形陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述ZTA陶瓷為偏心陶瓷圓環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:步驟I)所述混合料包含以下質(zhì)量百分比的組分=ZrO2粉體10%?50%，Al2O3粉體50%?90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述混合料還包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I%的微量添加劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述微量添加劑為Si02、Ti02、Mg0與CaO的質(zhì)量比為1:1:1:1的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述輔助加熱與保溫聯(lián)合裝置包括箱體、箱蓋和位于箱體內(nèi)的輔助加熱體，所述箱體和箱蓋是由輕質(zhì)莫來石磚和莫來石保溫棉制成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:所述輔助加熱體為SiC圓柱體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:步驟2)中所述反射功率穩(wěn)定是指電流上下浮動范圍在10 μ A以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的ZTA陶瓷的微波燒結(jié)方法，其特征在于:從開啟微波源至關(guān)閉微波源的總燒結(jié)時間為240?270min。
【文檔編號】C04B35/64GK104326751SQ201410309340
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】張銳, 范冰冰, 邵剛, 陳勇強(qiáng), 宋勃震, 張亮, 佟芳蕾, 吳昊, 管可可, 駢小璇, 陳浩, 解亞軍 申請人:鄭州大學(xué)