[发明专利]一种氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的方法。

背景技术

氧化锆具有十分优异的物理化学性能，如高的室温力学性能、较好的耐磨性、和耐化学腐蚀性，特别是氧化锆随温度变化发生相变，其中由四方相向单斜相的转变即马氏体相变，可起到独特的相变增韧作用；同时氧化锆复合材料在不同条件下具有某些独特的性能，表现出对电、光、声、气和温度等的敏感特性，因而氧化锆不仅广泛应用于耐火材料、结构材料，而且在功能材料和电子材料等工业生产领域具有广阔的应用前景。

然而，氧化锆热膨胀系数高、热导率低，以及陶瓷材料普遍存在的脆性大的缺点，极大地限制了其应用。目前，对氧化锆陶瓷增强增韧的主要方法是复合化，采用的增强相一般为高强度高模量的晶须、片晶和颗粒。而这些方法削弱了氧化锆陶瓷相变增韧的效果，导致复合材料致密度下降。

碳纳米管的优异力学性能及其在高分子复合材料方面获得的研究结果，为陶瓷材料的增强增韧提供了新的思路，但是碳纳米管与氧化锆陶瓷复合后增强增韧效果并不明显，甚至降低了氧化锆陶瓷的强度和韧性，其主要原因是碳纳米管与氧化锆陶瓷复合材料在高温烧结过程中，碳纳米管发生氧化或与基体材料发生反应，致使碳纳米管的强韧化作用难以发挥。

氮化硼纳米管的结构和性质与碳纳米管相似，如高强度和高导热性，但氮化硼纳米管具有更高的化学稳定性和抗氧化能力，因此在陶瓷材料的增强增韧方面具有比碳纳米管更大的优势。

发明内容

针对上述现有技术，为克服氧化锆陶瓷脆性大，碳纳米管对氧化锆陶瓷增强增韧效果不佳等问题，本发明提供了一种氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的方法，该方法具有成本低，加工工艺稳定，操作处理简单，生产效率高，产品力学性能高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的方法，包括以下步骤：

A.分别称取氮化硼纳米管、氧化锆(3Y-ZrO₂)粉体和氧化锆磨球，并量取无水乙醇；其中，由氮化硼纳米管和氧化锆粉体组成的混合粉料中氮化硼纳米管所占比例为0.5-2wt.％；由氮化硼纳米管和氧化锆粉体组成的混合粉料与氧化锆磨球的质量比为1∶6；乙醇的用量以至少能够浸没混合粉料(混合粉料即为氮化硼纳米管与氧化锆粉体的混合)为准；

B.将步骤A中称量好的物质材料混合，并进行球磨；

C.将步骤B中球磨后的混合浆料放到烘箱中干燥，然后过筛；

D.将步骤C中筛下的混合粉料置于氧化铝坩埚中，在马弗炉中进行预烧结；

E.将步骤D中预烧结的混合粉料装入石墨模具中，在多功能烧结炉中进行烧结，烧结温度为1350-1500℃，烧结时间1-4小时，烧结后，自然冷却到室温；

F.将步骤E中烧结好的陶瓷块经过磨削、切割等机械加工制得成品。

所述步骤B中球磨是：将混合后的物质材料装入球磨罐中，室温下，在行星式球磨机上进行球磨，球磨机转速300r/min，球磨时间12小时。

所述步骤C中干燥温度为100℃，保温时间4小时，过筛采用100目(即孔径为0.147mm)筛子。

所述步骤D中预烧结温度为400℃，保温时间1小时。

所述步骤E中进行的烧结，加热速度为25℃/min，烧结温度为1350-1500℃，烧结压力25MPa。

所述步骤E中的石墨模具和多功能烧结炉均是现有设备，例如日本富士电波公司生产的FVPHP-R-5，规格FRET-20。

本发明的有益效果为：成本较低，加工工艺稳定，操作处理简单，生产效率高；产品力学性能高，在同一工艺条件下，加入氮化硼纳米管的氧化锆陶瓷弯曲强度达到1143.3MPa，比纯氧化锆陶瓷提高28％；断裂韧性达到14.3MPa·m^1/2，较纯氧化锆陶瓷提高80％。

附图说明

图1为经过1450℃保温2h烧结后的氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的弯曲强度与氮化硼纳米管加入量之间的关系曲线。

图2为经过1450℃保温2h烧结后的氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的断裂韧性与氮化硼纳米管加入量之间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：测定氮化硼纳米管增强增韧氧化锆陶瓷的弯曲强度和断裂韧性随氮化硼纳米管加入量的变化趋势