本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料及制備方法。層狀復(fù)合材料由氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層組成，其中氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層的厚度及層厚比可任意調(diào)整，表層為氧化鋁，相組成為α-氧化鋁和四方相氧化鋯，具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)可以在較低的溫度下，以氧化鋁和氧化鋯粉體為原料，采用簡單的鋪層/原位熱壓工藝制備出具有高致密度、高純度、高斷裂功、高表面硬度及彎曲強(qiáng)度可控等綜合性能優(yōu)異的微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種高性能陶瓷復(fù)合材料及制備方法，具體為一種鋪層/原位熱壓制備微-納米。
技術(shù)介紹
仿生結(jié)構(gòu)陶瓷的出現(xiàn)，為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一種嶄新的研究和設(shè)計(jì)思路。進(jìn)行陶瓷材料的仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可獲得高強(qiáng)高韌的先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷(Clegg W J，Kendall K，Alford N M，et al.A simple way to make tough ceramics.Nature，1990，347:455)。特別是近年來對納米陶瓷逐步深入的研究，給陶瓷材料的發(fā)展與應(yīng)用帶來了新的希望。但由于大體積納米陶瓷的制備仍存在很大困難，而具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米陶瓷復(fù)合材料是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的納米陶瓷。因此，設(shè)計(jì)制備具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)及仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)的納米陶瓷復(fù)合材料，并進(jìn)行材料制備工藝的優(yōu)化，對納米陶瓷的實(shí)際應(yīng)用將會產(chǎn)生重大的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)及仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)，且具有高斷裂功、高致密度、高純度、表面硬度高及彎曲強(qiáng)度可控等綜合性能優(yōu)異、制備工藝簡單、燒結(jié)溫度低的氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料及其制備方法。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下:一種復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料，其特征在于層狀復(fù)合材料由氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層組成，其中氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層的厚度及層厚比可任意調(diào)整，表層為氧化鋁，相組成為α -氧化鋁和四方相氧化鋯，具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)所述各層的配比為氧化鋁層=Al2O3 (90 IOOwt % )，燒結(jié)助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt% ) CuO+ (O 5wt% ) TiO2];氧化招-氧化錯層:A1203 (75 IOOwt % )，ZrO2(O 15wt% ) [2 3mol % Y2O3],燒結(jié)助劑(O IOwt % ) [(O 5wt % )CuO+ (O 5wt% )Ti02]。所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以商品化氧化鋁、氧化鋯、氧化銅、氧化鈦和氧化釔粉體為原料，經(jīng)物理機(jī)械方法按比例球磨混合15 25小時，得到混合好的微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)初始粉體；在石墨模具中，采用鋪層方法將氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯初始粉體交替疊合，通過調(diào)整鋪層的厚度或初始粉體的重量來控制層狀復(fù)合材料的各層厚度及層厚比，在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為5 20°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1300 1500°C，燒結(jié)壓力為20 30MPa，燒結(jié)時間為50 120分鐘。所述的商品化氧化鋁、氧化鋯、氧化銅、氧化鈦和氧化釔粉體的粒度范圍為100 200目，并以此粉體原料，按比例球磨混合15 25小時，球磨介質(zhì)為無水乙醇，獲得粒徑范圍為0.02 2 μ m的微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合粉體。本專利技術(shù)的設(shè)計(jì)原理如下:以微-納米復(fù)合粉體為原料，燒結(jié)所得材料的結(jié)構(gòu)主要由晶界型和晶內(nèi)型混合組成，細(xì)小的納米顆粒分別分布于大顆粒的晶粒內(nèi)部和晶界，形成了致密而均勻的顯微結(jié)構(gòu)，從而提高了材料的力學(xué)性能。另外，以Al2O3為表層，Al2O3-ZrO2 (3Y)做間隔層，這種結(jié)構(gòu)由于Al2O3和ZrO2 (3Y)材料的熱膨脹系數(shù)不同，將會在層間界面上形成熱膨脹系數(shù)失配，從而在熱膨脹系數(shù)較小的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。同時，在Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料中，間隔層中ZrO2 (3Y)第二相的存在起到了相變增韌的作用，殘余應(yīng)力與相變增韌的協(xié)同作用，使Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:1、高斷裂功、高致密度、高純度、表面硬度高、彎曲強(qiáng)度可控。本專利技術(shù)的氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合·材料，相組成主要為α -氧化鋁和四方相氧化鋯，還有少量的單斜相氧化鋯，具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)特征，層狀結(jié)構(gòu)明顯，層間界面清晰。這種結(jié)構(gòu)使材料具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，材料的韌性、斷裂功、彎曲強(qiáng)度較單層氧化鋁陶瓷有明顯的改善。以Al2O3和Al2O3-1Owt^ ZrO2 (3Υ)層的層厚比為I:1、層厚為85 μ m為例，Al2O3/Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度可達(dá)738MPa，是單層氧化鋁陶瓷的2倍多，其斷裂韌性和斷裂功高達(dá)6.17Mpa及3902J*m_2。同時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和層厚比及Al2O3-ZrO2 (3Y)層中Zr02(3Y)含量有著明顯的關(guān)系，表明這種復(fù)合材料的強(qiáng)度可以通過調(diào)整層的參數(shù)和ZrO2 (3Y)含量來控制。2、制備工藝簡單、燒結(jié)溫度低。本專利技術(shù)以商品化氧化鋁和氧化鋯粉體為原料，通過常規(guī)的機(jī)械球磨獲取微-納米復(fù)合粉體，然后采用簡單的鋪層/原位熱壓最終制備出Al2O3/Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料。相對于傳統(tǒng)納米陶瓷及層狀復(fù)合材料的制備工藝(合成納米粉體前軀體-干燥-煅燒-制備基體片層-片層疊加-熱壓燒結(jié))，即使工藝流程變得簡單，又節(jié)省了費(fèi)用。另外，通過添加復(fù)合燒結(jié)助劑，使材料的燒結(jié)溫度大大降低，節(jié)省了時間，降低了能耗。以添加lwt% Cu0-4wt% TiO2為例，可使材料的燒結(jié)溫度降低200°C，同時保持較高的強(qiáng)度和韌性。此外，為了得到不同層厚比的復(fù)合材料，只需通過調(diào)整鋪層的厚度或初始粉體的重量即可，為滿足不同工況條件和節(jié)省材料提供了方便。附圖說明圖1為Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料斷口形貌的低倍SEM照片。圖2為Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)層狀復(fù)合材料斷口形貌的高倍SEM照片。圖3為Al2O3Al2O3-ZrO2(3Y)層狀復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和氧化鋯含量(圖3(b))及層厚比(圖3(a))之間的關(guān)系。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將粒徑范圍為100 200目的氧化招50克、氧化錯10克、氧化鈦2.5克和氧化銅0.5克在酒精介質(zhì)中球磨24小時得到氧化鋁-氧化鋯混合粉體；將100 200目的氧化鋁50克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質(zhì)中球磨24小時得到氧化鋁混合粉體。在石墨模具中將球磨好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯粉體交替鋪層，層厚均為0.5mm，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為15°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1350°C，燒結(jié)壓力為25MPa，燒結(jié)時間為100分鐘，整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。最終獲得的燒結(jié)樣品經(jīng)X射線衍射和SEM分析可知，相組成主要為α -氧化鋁和四方相氧化鋯，還有少量的單斜相氧化鋯，無其它雜質(zhì)相存在，每層的平均厚度約為80 μ m,氧化鋁層的顆粒尺寸分布在0.09 2.8 μ m,氧化鋁-氧化鋯層的顆粒尺寸分布在0.04 3.1 μ m。實(shí)施例2將粒徑范圍為100 200目的氧化招50克、氧化錯5克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質(zhì)中球磨24小時得到氧化鋁-氧化鋯混合粉體，將100 200目的氧化鋁50克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質(zhì)中球磨24小時得到氧化鋁混合粉體，在石墨模具中將球磨好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯粉體交替鋪層，層厚均為1.5mm，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為15°C /分鐘，燒結(jié)溫度為1350°C，燒結(jié)壓力為25MPa，燒結(jié)時間為100分鐘，整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。最終獲得的燒結(jié)樣品經(jīng)X射線衍射和SEM分析可知，相組成主要為α本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁?氧化鋯層狀復(fù)合材料，其特征在于層狀復(fù)合材料由氧化鋁層和氧化鋁?氧化鋯層組成，其中氧化鋁層和氧化鋁?氧化鋯層的厚度及層厚比可任意調(diào)整，表層為氧化鋁，相組成為α?氧化鋁和四方相氧化鋯，具有微?納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鋁-氧化鋯層狀復(fù)合材料，其特征在于層狀復(fù)合材料由氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層組成，其中氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層的厚度及層厚比可任意調(diào)整，表層為氧化鋁，相組成為α -氧化鋁和四方相氧化鋯，具有微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于所述各層的配比為氧化鋁層:Α1Α(90 IOOwt % ),燒結(jié)助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt % ) CuO+ (O 5wt % ) TiO2];氧化招-氧化錯層:A1203 (75 IOOwt % )，ZrO2 (O 15wt % ) [2 3mol % Y2O3]，燒結(jié)助劑(O IOwt % )[(O 5wt % ) CuO+ (O 5wt % ) TiO2] 3.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張永勝，齊亞娥，胡麗天，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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