[发明专利]一种高断裂韧性氧化锆陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种高断裂韧性氧化锆陶瓷的制备方法。本发明采用将CaO‑Al₂O₃‑SiO₂的混合前驱体溶胶与Y离子稳定的ZrO₂复合粉体以球磨的方式下均匀混合，然后经干燥、煅烧、造粒、成型、烧结等工艺后获得TZP陶瓷。本发明制备的TZP陶瓷的显微结构由两种晶粒大小的氧化锆以及细晶氧化铝组成，这种显微结构具有三种増韧机制—相变増韧、晶粒细化増韧和大晶粒桥联増韧。因而本发明制备的TZP陶瓷具有高韧性、高强度，同时烧成温度低、工艺简单、成本低、易于工业生产等优点。

技术领域

本发明涉及氧化物陶瓷制备领域，具体涉及一种高断裂韧性氧化锆陶瓷的制备方法。

背景技术

氧化钇稳定的四方多晶氧化锆(Y-TZP)陶瓷材料具有晶粒尺寸小、相变増韧等机制，所以具有了良好的力学性能，在化工、机械、石油、电子、通讯和航空航天领域具有广泛应用。但随着我国科技水平的飞速提升，对氧化锆陶瓷材料的力学性能提出更高的要求，同时低能耗生产也为氧化锆的低温烧成提出了挑战。

传统的氧化锆陶瓷材料采用单一的稳定剂(Y，Ca，Mg等)稳定氧化锆，而Ca-TZP和Mg-TZP陶瓷存在烧结温度高，难以完全致密的缺点，应用领域有限。Y-TZP是目前应用最广泛的氧化锆陶瓷，但其陶瓷韧性仍然偏低。论文[J.Cui，Z.Gong，M.Lv，P.Rao，Determination of fracture toughness of Y-TZP ceramics，Ceram.Int.，Vol.43，No，16319-16322，2017]用SENB测得Y-TZP陶瓷的断裂韧性多集中在8-14MPa.m^1/2的范围，SEVNB法得Y-TZP陶瓷的断裂韧性多集中在4-7MPa.m^1/2的范围，因此依靠单一的Y₂O₃作为稳定剂很难使Y-TZP陶瓷的断裂韧性进一步提高。中国发明专利CN02111146.4采用共沉淀法制备了Y/Mg-TZP，MgO和Y₂O₃的含量分别是5-14mol％和0.2-2mol％，再以Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂的玻璃熔块为烧结助剂，得到晶粒尺寸在200-400nm的TZP陶瓷材料，断裂韧性只有5.2-8.3MPa.m^1/2。中国发明专利CN02110868.4B报道了用熔融法制备CaO-Al₂O₃-SiO₂玻璃溶块，通过机械混合法将玻璃熔块在添加在Y-TZP陶瓷粉体中，得到的TZP陶瓷材料的断裂韧性只有9.5-9.8MPa.m^1/2。由于玻璃溶体是以机械混合法的方式加入，造成稳定剂在氧化锆中分布不均匀，使该TZP陶瓷材料的断裂韧性难以明显提高。中国发明专利CN200710165634.2采用共沉淀法制备了MgO₂-Al₂O₃-SiO₂溶胶，在与商业Y-TZP粉体机械混合得到TZP粉体，得到的TZP陶瓷用SENB法测得的断裂韧性只有11.3-13.5MPa.m^1/2。这类TZP陶瓷材料中，MgO₂-Al₂O₃-SiO₂溶胶可能在局部形成较多的玻璃相，同时Mg离子均匀地融入氧化锆晶格，生成的晶粒分布窄，増韧机制单一，虽然烧结温度较低，但会影响性能的进一步提高，所以断裂韧性较传统的Y-TZP陶瓷材料没有明显提高。因此在Y-TZP陶瓷基体中引入其他増韧机制提高断裂韧性是氧化锆断裂韧性提高重要途径。对于晶须或者纤维増韧氧化锆陶瓷材料，晶须或者纤维很难均匀地分散在Y-TZP陶瓷基体，这种不均匀分散会导致力学性能的下降，这种复合材料也无法采用常压烧结致密化，需采用热压烧结，难以实现工业化生产。所以，为了提高Y-TZP陶瓷的断裂韧性，还需要探索工艺更为简单有效、适合工业化生产的制备方法。

发明内容