[发明专利]一种钛酸锆高温结构材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种钛酸锆高温结构材料及其制备方法。

背景技术

本发明是开发一种可用于冶金、汽车、航天等领域的钛酸锆(ZrTiO₄)高温结构材料。该材料具有良好的高溫性能、強度及较好的抗热震性。

钛酸锆(ZrTiO₄)为不一致熔化合物，转熔温度为1900℃。钛酸锆具有高强度、低介电损耗、及良好的温度稳定性，是制备电容器、压电传感器以及微波介电谐振器的重要电子陶瓷材料，在微波介质陶瓷领域中越来越受到重视。在钛酸锆配料中掺杂各种添加物可以进一步改善介电性能。

张淑霞，李建保，曹俊等采用共沉淀的方法制备了一系列Zr_xTi_1-xO₄(0.4≤x≤0.6)纳米粉，XRD物相分析为ZrTiO₄固溶体，TEM观察粒子粒径为20～30nm。通过制陶实验对该系列固溶体的烧结特性、形貌及介电性能进行了研究。

翟华嶂，李建保，欧阳可青等利用化学共沉淀方法制备一系列ZrO₂-TiO₂-Y O。三元体系的固溶体纳米粉。通过X射线衍射、透射电镜分析和比表面积测量，确定固溶粉体为单一四方相结构，晶粒尺寸在10～25nm。

ZrTiO₄粉料在用固相反应的方法制备时，合成温度为1400℃左右合成时间也很长，而且在这种条件下合成后粉料会结成难以粉碎的硬块。为此人们曾采用许多化学方法来制备但成本昂贵，加入添加物如ZnO、CuO、NiO、La₂O₃等，可以改善烧结性能，但添加物也可能在晶界处形成第二相造成介电性能下降。进一步的研究表明ZrTiO₄通过微裂纹表现出来的热力学性能与具有低热膨胀特性的HfTiO₄相似。

王国庆，吴顺华，赵玉双等采用粉体固相烧结的一般电子陶瓷工艺在中温(1150℃)烧结条件下制备了(Zr，Sn)TiO₄系统多层陶瓷电容器用高频陶瓷材料。通过向系统中加入CuO、ZnO、BaCO₃、SrCO₃等添加荆，达到了降低烧成温度并提高介电性能的效果。

然而钛酸锆材料优良的耐高温性能在工业陶瓷及高温结构材料领域中并未获得关注，在国内外尚未见有钛酸锆用于高温结构材料方面的研究与应用报道。

本发明采用非纳米的工业纯的氧化锆和氧化钛粉体，引入少量烧结剂MgO、CaO、SiO₂，以固相烧结工艺制备高强度、低膨胀的钛酸锆高温结构材料。为钢铁及有色冶金、航天等工业领域提供一种新型高温结构材料。此方面的研究与应用在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于上述现有技术中的不足，提供一种钛酸锆高温结构材料及其制备方法。

一种钛酸锆高温结构材料，其特征在于该材料所用原料以及原料的重量百分比为：非稳定氧化锆粉62～63.5％；金红石型氧化钛粉36～37.5％；烧结剂MgO粉、CaO粉或SiO₂粉0.5～1.5％。

该材料所用原料的粒径为：非稳定氧化锆粉及金红石型氧化钛粉的粒径均<0.060mm，所述烧结剂粒径<0.040mm。

该材料所用原料纯度的重量百分比含量为：非稳定氧化锆粉中的ZrO₂≥98％；金红石型氧化钛粉中的TiO₂≥98％。烧结剂MgO粉、CaO粉或SiO₂粉的纯度均≥99％。

该材料的制备方法是：将非稳定氧化锆粉和金红石型氧化钛粉，以及烧结剂MgO粉、CaO粉或SiO₂粉，按比例混合湿磨0.5h，然后将湿磨后料浆经100℃干燥10h，在干坯料中加入质量浓度为0.5％的聚乙烯醇溶液6％(重量百分比)，搅拌10min后静置5h获得成型坯料，经压力成型、烧结得到钛酸锆高温结构材料。

该材料的压力成型方法是：采用液压机或摩擦压力机对坯料进行压制成型，成型压强为70～100MPa。该材料的成型方法还包括：等静压成型、热压铸成型、注浆成型、辊压成型、真空挤压成型或凝胶注模成型。

该材料的烧结方法是：采用电炉烧结的温度为1530℃，保温时间为2.5h。该材料的烧结方法还包括：热压烧结、高温真空烧结或高温氮气烧结。

本发明的钛酸锆高温结构材料的组成设计思路为：