[发明专利]一种氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料及其制备方法，属于氧化锆基陶瓷技术领域。

背景技术

氧化锆(ZrO₂)陶瓷具有高熔点和良好的化学稳定性，从20世纪70年代开始得到研究者的重视。在不同温度下，氧化锆主要以三种同质异形体存在，即单斜晶系(m-ZrO₂)、四方晶系(t-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂)。纯的ZrO₂在烧结冷却过程中发生四方相到单斜相的马氏体相变时伴随有3％～5％的体积变化，从而导致材料容易开裂，使得氧化锆块材在工程应用上受到限制。

为了消除相变引起的体积变化，研究发现在纯的ZrO₂中加入稳定剂，在高温烧结时将形成四方相或立方相固熔体，在冷却时可以消除四方相向单斜相转变。常用的稳定剂有Y₂O₃、MgO、CaO、CeO₂和Sc₂O₃等。稳定的ZrO₂具有高韧性和耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于金属等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。但是，研究发现Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)在100-400℃的低温区长期使用时，材料表面向内部发生四方相到单斜相的等温相变，导致力学性能急剧下降，即发生低温性能老化。CeO₂稳定的ZrO₂具有较高的断裂韧度和良好的抗低温水热老化性能，不足之处是硬度和强度偏低。

同时稳定的ZrO₂也是优良的氧离子导体，在固体氧化物燃料电池、氧传感器中作为固体电解质材料得到了广泛的应用。对于ZrO₂固体电解质材料，目前研究较多的是YSZ。在ZrO₂基的电解质材料中，掺杂效果最好的是Sc₂O₃掺杂的ZrO₂，其电导率在1000℃时可达到0.3S·cm^-1，是目前文献报道较好的8％-10％(摩尔分数)Y₂O₃稳定的氧化锆(8YSZ)电导率的两倍。但是大多数Sc₂O₃-ZrO₂的材料，由于在烧结过程中形成亚稳态相，会使电导率下降很快，稳定性很差。Teighery等也对Al₂O₃掺杂的YSZ进行了研究，发现5％-10％(质量百分数)Al₂O₃的掺杂对8YSZ材料的性能有很大的改善。

常见的ZrO₂稳定剂是稀土或碱土氧化物，而且只有离子半径与Zr⁴⁺半径相差不超过40％的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有很好稳定性的氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料，其特征在于由以下摩尔百分数的原料组成：稳定剂10％～30％，氧化锆70％～90％，所述稳定剂为过渡金属氧化物氧化锰。

本发明的另一目的是提供一种工艺简单、成本低的制备氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料的方法，其特征在于制备过程为：首先称量氧化锆和氧化锰，将称量好的氧化锆和氧化锰混合粉倒入研钵中，进行充分的研磨混合，采用单向干压法，在8～10MPa的压力下将所述混合粉压结成陶瓷片，将所述陶瓷片放入高温管式炉中烧结，使用的热处理制度为：升温速率小于300℃/h，氩气气氛下1300～1400℃高温保温12h～24h，然后随炉冷却，即制得氧化锰稳定的四方氧化锆陶瓷材料。

本发明以氧化锆为基体，一种过渡金属氧化物氧化锰作为稳定剂，采用固态烧结法制备单一稳定剂稳定的氧化锆陶瓷。合成工艺技术条件及操作方法简明，为开发稳定氧化锆技术提供了新的思路。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、突破传统的利用稀土或碱土金属氧化物来稳定氧化锆的局限，独具特色地采用过渡金属氧化物来制备稳定氧化锆，为开发稳定氧化锆技术提供了新的思路。