一種高彈性納米氧化鋯基陶瓷的制備方法
【專利摘要】一種高彈性納米氧化鋯基陶瓷的制備方法，其步驟如下：將不銹鋼基體依次用汽油和酒精進行超聲波除污清洗，拋光，粗粗度在0～2μm，表面噴灑3.5%NaCl的鹽水；把帶有NaCl的不銹鋼基體置于等離子噴涂-物理沉積設備中，抽真空至0.5mbar，充入氬氣至35mbar，再抽真空至0.5～2.5mbar；以粒徑5~22μm的7wt%Y2O3-ZrO2 (7YSZ)粉末，噴涂功率100～160kW，等離子體氣體Ar流量30～45SLPM，He流量60～80SLPM，送粉率15～20g/min，噴涂距離2.0～2.2m，噴涂涂層，噴涂厚度150～450μm；噴涂完成后，放入水中浸泡，從不銹鋼基體上剝離，即得本發(fā)明所述的高彈性納米氧化鋯基陶瓷。本發(fā)明方法效率高、成本低且能工業(yè)化生產，制備的納米陶瓷在室溫下具有高彈性。
【專利說明】一種高彈性納米氧化鋯基陶瓷的制備方法

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種高彈性納米陶瓷的制備方法。

【背景技術】
[0002]納米陶瓷是八十年代中期發(fā)展起來的一種先進材料，它是由納米級水平顯微結構組成的新型陶瓷材料，其中包括晶粒尺寸、晶界寬度等都只限于100 nm量級的水平。由于納米陶瓷中晶粒界面的體積百分比與晶粒本身的體積百分比相當，且納米陶瓷中晶粒有小尺寸效應和晶粒界面無序性等特點，這使得納米陶瓷擁有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨特性能，它一直是材料科學、凝聚態(tài)物理研宄的熱點領域，同時納米陶瓷的制備也是納米科學技術的重要組成部分(郭景坤等.納米陶瓷及其進展[J]，《硅酸鹽學報》，1992，20(30):286-291)。
[0003]陶瓷是一種多晶體材料，它是由晶粒和晶界所組成的塊體材料。決定陶瓷材料性能的主要因素是成分和顯微結構，顯微結構包括晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合形貌，其中晶粒尺寸是影響陶瓷性能最主要的因素之一，晶粒尺寸的減少將對材料的力學性能產生較大的影響。晶粒的細化使材料不易廣生穿晶斷裂，有利于提尚材料的斷裂初性；其次，晶粒的細化將有助于陶瓷中晶粒間的滑移，使材料具有高彈性行為，高彈性是指當材料在某一方向上發(fā)生彈性變形的量超過該方向材料尺寸的7%，此時就認為該材料具有高彈性行為(Κ.T.Faber, Small volumes create super-elastic effects [J],《Science》，2013，341:1464-1465)。如果陶瓷中的晶粒都處于納米級(〈100 nm)水平，則陶瓷的彈性和塑性將大大提高。此外，晶粒的細化將對晶體結構中的其它行為產生重要的影響，如陶瓷中電熱導系數(shù)隨晶粒尺寸的減少
而下降。此外，納米陶瓷也同時擁有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及特別的光吸收效應，以上這些納米陶瓷特性將為材料的應用開拓一個嶄新的領域。
[0004]陶瓷，一向被認為是典型的脆性材料，當受到外力作用時，在幾乎無較大彈性變形的情況下呈脆性斷裂。近年來，隨著陶瓷制備技術的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了納米陶瓷材料在高溫下具有高彈性，高彈性材料的制備存在三個難點需要解決:一是納米陶瓷制備方法成本高，大規(guī)模應用還需把制備成本降低；二是納米陶瓷難制備，由于納米晶粒表面能較高，在制備納米陶瓷過程中晶粒容易長大，因此真正意義上的納米陶瓷制備一直是科學界的難點；三是納米陶瓷一般只在高溫下才具有高彈性，怎么做到在室溫下也具有高彈性同時也是科學界的難點。納米陶瓷材料的彈性是指材料在一定的應力加載下產生較大的彈性變形而無裂紋出現(xiàn)，當應力釋放時，材料能恢復原來的形狀而無塑性變形。關于陶瓷產生彈性的原因，一般認為是處在晶格結點的原子在力的作用下在其平衡位置附近產生的微小位移。而納米陶瓷產生的高彈性原因，一般認為是材料在力的作用由擴散蠕變引起晶界滑移所導致的。擴散蠕變速率與擴散系數(shù)成正比，與晶粒尺寸的三次方成反比，當粒子尺寸處于納米級別時，擴散系數(shù)非常高，從而造成擴散蠕變異常。當材料中的晶粒尺寸處于納米尺寸級別時，材料具有很高的擴散蠕變速率，當受到外力后能迅速做出反應，造成晶界方向的平移，從而表現(xiàn)出高彈性，彈性的提高也使其韌性大為提高。納米陶瓷材料的研宄是無機材料研宄中的重要分支，其中有一重要目的是增加陶瓷材料的可加工性，而高彈性無疑會增加陶瓷材料的可加工性。
[0005]為了制備納米陶瓷，眾多學者做了大量的嘗試。肖長江等人(納米BaTi03陶瓷的超高壓燒結[J]，《高壓物理學報》，2011，25 (1):55-60)采用超高壓燒結的方法制備了納米BaTi03陶瓷，該方法晶粒尺寸控制較難、室溫下無高彈性且生產成本高，無法用于大規(guī)模生產° C.Persson 等人(Nano grain sized zirconia-silica glass ceramics fordental applicat1ns, ((Journal of European Ceramic Society)), 2012, 32:4105-4110)采用溶膠-凝膠法制備了 Zr02-Si02納米陶瓷，該方法雖然制備成本低，但制備效率較低且陶瓷在室溫下也無高彈性。


【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有的制備納米陶瓷技術的不足，本發(fā)明提供一種納米氧化鋯基陶瓷的制備方法，該納米陶瓷在室溫下有高彈性，步驟如下:
1)將不銹鋼基體依次用汽油和酒精進行超聲波除污清洗，拋光，粗粗度在0?2μπι，表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥后待用；
2)把帶有NaCl的不銹鋼基體置于等離子噴涂-物理沉積設備中，將真空罐抽真空至
0.5mbar，充入氣氣至35mbar，再抽真空至0.5?2.5mbar ；
3)以粒徑5~22μπι的7wt%Y203-Zr02 (7YSZ)粉末，在帶有NaCl的不銹鋼基體表面噴涂厚度150?450 ym的7YSZ納米陶瓷涂層，噴涂時用冷水對基體和真空罐進行冷卻；
4)噴涂完成后，放入水中浸泡，納米陶瓷涂層從不銹鋼基體上剝離，即得本發(fā)明所述的高彈性納米氧化鋯基陶瓷。
[0007]步驟3)所述的等離子噴涂-物理氣相沉積參數(shù)為:噴涂功率100~160kW，等離子體氣體Ar流量30?45SLPM，He流量60?80SLPM，送粉率15~20g/min，噴涂距離2.0-2.2m。
[0008]本發(fā)明提供一種高效率、低成本、簡單易行且能規(guī)?；a的高彈性納米陶瓷制備方法，即采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備制備納米7YSZ陶瓷。噴涂過程中，噴涂7YSZ粉末通過內送粉方式送入噴槍，送粉載氣為氬氣。粉末在等離子體焰流中依次發(fā)生固相、液相和氣相轉變，當在焰流末端時氣相原子相互結合形成原子團，最終7YSZ粉末以團簇狀的原子團在不銹鋼基體上沉積，沉積時不銹鋼基體和真空罐都采用水冷。氣化的7YSZ粉末遇到處在低溫的不銹鋼基體時迅速凝固并在光滑基體上形核、結晶。由于基體溫度較低，7YSZ晶粒長大驅動力較小，晶粒難以長大，其尺寸一直能保持在100nm以內，當沉積時間較長時，可在基體上形成厚度較大的納米7YSZ陶瓷涂層。由于在噴涂前，基體表面覆蓋有一層NaCl,因此噴涂后在涂層與基體界面存在一層溶于水的NaCl，當涂層浸入水中后，厚陶瓷涂層可自動從基體上剝離下來，然后把陶瓷涂層加工成陶瓷片。實驗發(fā)現(xiàn)，該陶瓷片具有高彈性，尺寸為50 (長)X 20 (寬)X 0.35 (厚)mm，在厚度方向最大彈性變形量為7.8mm，該陶瓷片彎曲較大時不發(fā)生斷裂且應力釋放時能恢復到原來的形狀。通過掃描電子顯微鏡對7YSZ陶瓷片斷面放大20萬倍觀察發(fā)現(xiàn)，該陶瓷片中的晶粒尺寸均為小于100nm如圖1所示。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1納米7YSZ陶瓷片斷面的電子顯微鏡照片。

【具體實施方式】
[0010]下面結合具體實施例對本發(fā)明的制備方法做進一步說明。
[0011]實施例1
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為1 μ m，在基體表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為0.5mbar，并通過冷水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率100kW，等離子體氣體Ar流量30SLPM，He流量60SLPM，送粉率18g/min，噴涂距離2.0m條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為450 μ m，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
[0012]實施例2
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為2 ym，在基體表面噴灑3.5%NaCl鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為1.0mbar，并通過冷水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率llOkW，等離子體氣體Ar流量45SLPM，He流量80SLPM，送粉率15g/min，噴涂距離2.0m條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為150 μ m，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
[0013]實施例3
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為1.5 μ m，在基體表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為1.5mbar，并通過25°C水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率160kW，等離子體氣體Ar流量35SLPM，He流量60SLPM，送粉率20g/min，噴涂距離2.2m條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為450 μm，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
[0014]實施例4
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為1 μ m，在基體表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為2.0mbar,并通過25°C水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率140kW，等離子體氣體Ar流量45SLPM，He流量75SLPM，送粉率17g/min，噴涂距離2.lm條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為200 μ m，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
[0015]實施例5
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為0.5 μ m，在基體表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為2.5mbar，并通過25°C水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率130kW，等離子體氣體Ar流量40SLPM，He流量65SLPM，送粉率16g/min，噴涂距離2.2m條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為250 μm，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
[0016]實施例6
以316不銹鋼為基體，使用汽油和酒精依次對基體進行超聲波除污清洗，然后再對基體進行拋光處理，粗糙度為2 μ m，在基體表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥。采用等離子噴涂-物理氣相沉積設備，噴涂前，真空罐抽真空至0.5mbar,回填氬氣至35mbar，噴涂時，真空罐壓力為1.5mbar，并通過25°C水對基體和真空罐進行冷卻。在噴涂功率150kW，等離子體氣體Ar流量35SLPM，He流量75SLPM，送粉率19g/min，噴涂距離2.2m條件下，在帶有NaCl不銹鋼基體表面噴涂納米7YSZ陶瓷涂層，陶瓷涂層厚度為300 μ m，噴涂完后浸入水中，待涂層與基體界面的NaCl溶解后，涂層自動從基體上剝離開，可用工具將陶瓷涂層加工成不同的尺寸。
【權利要求】
1.一種高彈性納米氧化鋯基陶瓷的制備方法，其特征在于由以下步驟組成: 1)將不銹鋼基體依次用汽油和酒精進行超聲波除污清洗，拋光，粗粗度在0?2μπι，表面噴灑3.5%NaCl的鹽水，干燥后待用； 2)把帶有NaCl的不銹鋼基體置于等離子噴涂-物理沉積設備中，抽真空至0.5mbar,充入氬氣至35mbar，再抽真空至0.5?2.5mbar ； 3)以粒徑5~22μπι的7wt%Y203-Zr02 (7YSZ)粉末，在帶有NaCl的不銹鋼基體表面噴涂厚度150?450 ym的7YSZ納米陶瓷涂層，噴涂時用冷水對基體和真空罐進行冷卻； 4)噴涂完成后，放入水中浸泡，從不銹鋼基體上剝離，即得本發(fā)明所述的高彈性納米氧化鋯基陶瓷。
2.根據(jù)權利要求1所述的高彈性納米氧化鋯基陶瓷的制備方法，其特征在于步驟3)所述等離子噴涂-物理氣相沉積的條件是:噴涂功率100?160kW，等離子體氣體Ar流量30?45SLPM，He流量60?80SLPM，送粉率15?20g/min，噴涂距離2.0?2.2m。
【文檔編號】C04B35/622GK104496470SQ201410774479
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】周克崧, 張小鋒, 鄧春明, 鄧暢光, 劉敏, 張吉阜, 宋進兵 申請人:廣東省工業(yè)技術研究院(廣州有色金屬研究院)