專利名稱：一種高韌性氧化鋁陶瓷材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備高韌性氧化鋁陶瓷材料的新方法，屬材料制備技術領域。
氧化鋁陶瓷材料因具有優(yōu)良的力學性能和電性能，并且制造成本低；因此是目前應用最廣泛的一種先進陶瓷材料。采用高純度亞微米級氧化鋁超細粉已可制備出抗彎強高達700～1000MPa的氧化鋁精密陶瓷。然而氧化鋁陶瓷材料的斷裂韌性非常低，通常只有3MPam1/2。因此，提高氧化鋁陶瓷斷裂韌性一直是陶瓷材料科學家期待和努力的目標。
為了提高氧化鋁陶瓷的斷裂韌性，人們通過外加少量助劑，在氧化鋁的燒結過程中生長出具有增韌效果的第二相。如美國密執(zhí)安大學I-w Cheng等人成功地在氧化鋁燒結中原位生長出具有板狀晶型的LaAl11O18和LaMgAl11O19增韌相，使這種氧化鋁基陶瓷材料斷裂韌性達到4.4MPam1/2。日本Masaki Yasuoka等人通過加入幾百ppm的SiO2助劑可誘導Al2O3基質晶粒異向生長出長柱狀和板狀晶。他們以商業(yè)用高純Al2O3合成的LaAlO3和硅溶膠作為初始原料，低溫鍛燒后于1600℃高溫燒結，原位生長出同時具有α-Al2O3長柱狀和LaAl11O18板狀晶，其抗彎強度為600MPa，斷裂韌發(fā)生達到5.6MPam1/2。綜上所述，目前提高氧化鋁韌性的方法主要是通過在氧化鋁基體內生長出具有板狀晶形的增韌相。是一種Al2O3基的復相陶瓷。
本發(fā)明目的提出一種新的制備高韌性氧化鋁陶瓷材料的方法，其原理與現有方法不同。不是通過外加燒結助劑，而是通過引入α-Al2O3晶種，誘導其他Al2O3晶粒各向異性(主要沿C軸)方向發(fā)育、生長出長柱狀(或稱棒狀)的氧化鋁晶粒。這些棒狀晶粒彌散分布在呈等軸狀的正常Al2O3晶粒之中。由于棒狀Al2O3晶具有裂紋編轉和撥出效應，從而可有效提高材料的斷裂韌性。
本發(fā)明的高韌性氧化鋁陶瓷材料的制備方法，包括以下各步驟1、初始陶瓷原料采用三水鋁化合物[Al(OH)3]或勃姆石[AlOOH]，與α-Al2O磨球和去離子水一起放入球磨罐中進行濕法球磨，加入量為陶瓷原料∶氧化鋁磨球∶去離子水=1∶2-6∶1-2，球磨時間為30-90小時；在球磨過程中α-Al2O3磨球表面被磨下來的α-Al2O3細顆粒作為Al2O3晶種引入。晶種引入量為15-50wt％(以Al(OH)3為基)，可通過改變球磨時間來控制α-Al2O3晶種引入量。
2、濕法球磨后的混合料漿經干燥后，在高溫馬弗爐中鍛燒(1100-1300℃)使三水鋁化合物或勃姆石轉變?yōu)锳l2O3晶相。
3、鍛燒后得到的Al2O3料加酒精再進行球磨，球磨時間為10-20小時，使塊狀料充分磨細。
4、球磨后的Al2O3粉料經干燥備用。
5、將上述已引入α-Al2O3晶種的Al2O3粉料成型，然后真空熱壓燒結，燒結溫度為1500～1650℃，保溫時間在1～4小時，即得本發(fā)明的陶瓷材料。燒結過程中α-Al2O3晶種誘導部分Al2O3發(fā)育生長為棒狀晶，得到同時具有棒狀晶氧化鋁和等軸狀晶氧化鋁的顯微結構，這種顯微結構賦于氧化鋁陶瓷高斷裂韌性。
本發(fā)明方法的優(yōu)點是1)初始原料采用工業(yè)用三水鋁石礦物或勃姆石，原料成本低、資源豐富。
2)晶種的引入是在球磨過程中通過α-Al2O3磨球與原料研磨時磨球表面的磨損而引入，因而工藝簡單，便于控制。
3)在晶種存在的條件下，三水鋁石礦物或勃姆石在1100～1200℃即可完全轉變?yōu)锳l2O3晶相，轉相溫度較低。
4)熱壓燒結后，氧化鋁陶瓷材料同時具有較高的斷裂韌性(61～7.1 MPam1/2)和較高的強度(610～660MPa)。
下面介紹
具體實施例方式實施例1取工業(yè)用三水鋁化合物Al(OH)3粉料500克，粉料平均粒徑為2.84微米，純度為98％。氧化鋁球為1500克，其純度為99.9％，直經為1厘米左右，另取去離子水600克，一起放入氧化鋁球磨罐里進行濕法球磨48小時，然后使料漿和磨球分離。將磨球洗干凈后與料漿一起放入干燥箱中烘干。對球磨后的Al2O3磨球稱重，得知磨球重1380克，即有120克α-Al2O3作為晶種引入到Al(OH)3粉料中，α-Al2O3晶種為Al(OH)3重量的24wt％。將已經含有α-Al2O3晶種的Al(OH)3粉在1150℃高溫爐中鍛燒2小時，使Al(OH)3轉變?yōu)锳l2O3。再將鍛燒后的粉料與乙醇一起球磨17小時，使粉料分散開，然后干燥，將酒精蒸發(fā)得到微細粉料，將粉料干壓成型為50≌10毫米的園塊狀，在真空熱壓爐中進行高溫燒結于1550℃下保溫2小時，壓力為40MPa。對燒結后的氧化鋁陶瓷進行力學性能測試，斷裂韌性值為6.4MPam1/2。比一般氧化鋁陶瓷的斷裂韌性值高出一倍?？箯潖姸纫哺哌_653MPa，對氧化鋁陶瓷材料顯微結構進行掃描電鏡觀測證實，在等軸狀Al2O3晶粒之間生長出直徑1-15微米，長度為3-6微米的長柱狀Al2O3晶。
實施例2三水鋁化合物Al(OH)3原料同上，將300克這種粉料，1500克氧化鋁球和350克去離子水一起放入氧化鋁球磨罐里進行濕法球磨72小時，然后把料漿和磨球分離。將氧化鋁磨球洗干凈后與料漿一起放入干燥箱中烘干。球磨后的Al2O3磨球失重146克，即有146克α-Al2O3在球磨過程中作為晶種引入到Al(OH)3粉料中，占Al(OH)3重量的41.7wt％。將含有α-Al2O3晶種的Al(OH)3粉在1100℃高溫爐中鍛燒2小時，使Al(OH)3轉變?yōu)锳l2O3。再將鍛燒后的粉料與乙醇一起球磨15小時，使粉料分散開，然后干燥，將酒精蒸發(fā)得到微細粉料，將粉料干壓成型為50≌10毫米的園塊狀，在真空熱壓爐中進行高溫燒結于1600℃下保溫1.5小時，壓力為30MPa。對燒結后的氧化鋁陶瓷進行力學性能測試，斷裂韌性值為7.1MPam1/2，抗彎強度也高達625MPa。
實施例3將工業(yè)用、平均粒徑為1.8微米的勃姆石[AlOOH]粉料300克，800克重的高純氧化鋁球和500克去離子水一起放入尼龍球磨灌中濕法球磨58小時，然后把洗凈的氧化鋁磨球和料漿放入干燥箱中充分干燥，對烘干的Al2O3磨球稱重，其重量為705克，即有95克重的氧化鋁磨耗被引入到AlOOH粉料中，α-Al2O3晶種為AlOOH重量的31.6wt％。被引入到AlOOH粉料中的氧化鋁磨耗為α-Al2O3微細粉作為晶種。將含有晶種的AlOOH粉在1200℃鍛燒1小時，此時AlOOH已完全轉為Al2O3相。將這種鍛燒后的粉塊狀的Al2O3與乙醇(比例為1∶1)一起球磨10小時，烘干后得到平均粒徑為0.6微米的Al2O3粉料。將部分粉料干壓成型為60≌15毫米的圓塊狀，在真空熱壓爐中高溫燒結，壓力為30MPa，升溫到1550℃保溫2小時，對燒結后陶瓷材料的斷裂韌性測定達到6.1MPam1/2，抗彎強度也高達632MPa，即得到同時具有高韌性和高強度的氧化鋁陶瓷材料。
實施例4采用實施例3中的勃姆石[AlOOH]粉料400克，與氧化鋁球1000克、去離子水500克一起放入尼龍球磨灌中濕法球磨70小時。然后把洗凈的氧化鋁磨球和料漿放入干燥箱中充分干燥，測的Al2O3磨球失重182克。即相對于勃姆石[AlOOH]粉料重量45.5wt％的α-Al2O3微細粉作為晶種被引入到AlOOH粉料中。將含有晶種的AlOOH粉在1200℃鍛燒1小時，此時AlOOH已完全轉為Al2O3相。將這種鍛燒后的粉塊狀的Al2O3與乙醇(比例為1∶1)一起球磨12小時，烘干后干壓成型為60≌15毫米的圓塊狀，在真空熱壓爐中高溫燒結，壓力為35MPa，升溫到1600℃保溫1小時，測定燒結后陶瓷材料的斷裂韌性為6.7MPam1/2，制備出高韌性氧化鋁陶瓷材料。掃描電鏡觀測證實，這種氧化鋁陶瓷顯微結構中存在對提高韌性有利的長柱狀Al2O3晶。
權利要求
1.一種高韌性氧化鋁陶瓷材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)初始陶瓷原料采用三水鋁化合物或勃姆石，與α-Al2O磨球和去離子水一起放入球磨罐中進行濕法球磨，加入量為陶瓷原料∶氧化鋁磨球∶去離子水=1∶2-6∶1-2，球磨時間為30-90小時；(2)濕法球磨后的混合料漿經干燥后，在高溫馬弗爐中1100-1300℃溫度下鍛燒，使三水鋁化合物或勃姆石轉變?yōu)锳l2O3晶相；(3)鍛燒后得到的Al2O3料加酒精再進行球磨，球磨時間為10-20小時，使塊狀料充分磨細；(4)球磨后的Al2O3粉料經干燥備用；(5)將上述已引入α-Al2O3晶種的Al2O3粉料成型，然后真空熱壓燒結，燒結溫度為1500～1650℃，保溫時間為1～4小時，即得本發(fā)明的陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高韌性氧化鋁陶瓷材料的制備方法,首先用三水鋁化合物[Al(OH)
文檔編號C04B35/10GK1304903SQ0013683
公開日2001年7月25日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權日2000年12月29日
發(fā)明者謝志鵬, 黃勇 申請人:清華大學