[发明专利]一种提高氧化铝陶瓷韧性的方法

说明书

本发明涉及一种提高氧化铝陶瓷韧性的方法。用于提高氧化铝陶瓷韧性的低温烧结助剂体系包括组分A和组分B；其中，所述组分A为TiB₂、ZrB₂和HfB₂中的至少一种；所述组分B包括xMgO·ySiO₂，1≤x≤3、1≤y≤4，优选为MgSiO₃、滑石、石棉和蛇纹石矿物中至少一种。

技术领域

本发明针对氧化铝陶瓷韧性低的问题，提出一种复合烧结助剂体系(低温烧结助剂体系)，可以有效促进氧化铝晶粒发育成柱状晶，大幅度提高氧化铝陶瓷的韧性，属于陶瓷的制备工艺和应用领域。

背景技术

氧化铝陶瓷的应用历史较为悠久，其原料来源广泛，具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗氧化、电绝缘性高以及介电损耗低等优异性能，因而被广泛应用于结构陶瓷、生物陶瓷、电子陶瓷等领域。如磨料、磨具、刀具、人体关节、人工骨及人工牙根、汽车电子、功率混合电路、大功率半导体模块等。然而与大多数陶瓷一样，氧化铝陶瓷低的断裂韧性限制了它在实际应用中的可靠性和安全性。提高氧化铝陶瓷的韧性是保证其应用的关键。

关于氧化铝陶瓷的强韧化，国内外已经开展了大量研究工作。哈工大荣守范等人采用工业γ-Al₂O₃为主要原料，分别加入玻璃粉Al₂O₃-CaO-SiO₂(CAS)、Nb₂O₅等添加剂，通过无压烧结制备了柱状晶复合增韧的氧化铝陶瓷，当CAS加入量为0.6wt.％时，能够得到晶粒发育完全的柱状晶，长径比可达到8:1。池妙芳、钱鹏翔等人通过掺杂少量的TiO₂和SiO₂，热压烧结和常压烧结制备了具有等轴晶和长柱状晶的双晶型氧化铝陶瓷。Chan Woo Park等人通过掺杂100ppm的SiO₂和50ppm的CaO，1620℃常压烧结时发现氧化铝从等轴晶逐渐转变为柱状晶。Seong-hyeon Hong，BATEMAN,CA，SONG,H等人通过掺杂少量的CaO和SiO₂，1650℃制备了具有双晶型结构的氧化铝陶瓷，即等轴晶和柱状晶并存的微结构。Chong-Min Wang等人通过掺杂少量的Nd₂O₅(Nd/Al ratio：100-1000ppm)，热压烧结1450℃制备了具有柱状晶结构的氧化铝陶瓷。Lihua Xu等人采用球磨的方法向初始原料中添加晶种，采用热压烧结方式制备了具有柱状晶结构的氧化铝陶瓷。Matthew M.Seabaugh等人通过加入4wt.％的氧化铝柱状晶为晶种，CaO和SiO₂为烧结助剂，常压烧结1400℃时氧化铝晶粒由等轴晶全部转变为长柱状晶。Debra S.Horn，Anteneh Kebbede等人通过掺杂少量的TiO₂，采用勃云母为原料于1400℃-1600℃原位合成了柱状晶氧化铝陶瓷。

综合以上关于氧化铝柱状晶的制备，可以总结为两种方法：一种是加入晶种，如通过球磨的方法引入高纯氧化铝，或者加入柱状氧化铝晶种诱导氧化铝烧结过程中各向异性生长为柱状晶；另一种是加入少量添加剂，常用的是SiO₂、CaO、TiO₂等低熔点氧化物，调控烧结过程，使氧化铝晶粒由等轴晶逐渐转变为长柱状晶。

但是，研究发现，采用以上的添加剂体系，通常都只能得到长柱状晶粒含量较低的氧化铝陶瓷，而无法得到具有大量长柱状晶粒的结构。因此材料的韧性提高有限。对于应用并无太大帮助。氧化铝陶瓷在机械、电子、航空航天和国防军工等领域应用广泛，是一种量大面广的常用陶瓷。改善氧化铝陶瓷的韧性将对其应用起到重要支撑作用。目前的关键的问题是制备出柱状晶比例明显提高的氧化铝陶瓷。

发明内容