[发明专利]一种ZrO2-Al2TiO5复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种ZrO₂-Al₂TiO₅复合材料的制备方法。

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ZrO₂-Al₂TiO₅复合材料。该复合材料是以纳米氧化锆、纳米钛酸铝及纳米氧化镁的复合粉体为原料制备而成的，该复合材料具有良好的高溫性能、強度及抗热震性。

目前钢铁冶金方坯连铸系统中的钢水中间包氧化锆(ZrO₂)定径水口材料存在着受瞬时热冲击作用极易发生热震开裂剥落、水口孔径扩大导致浇钢作业中断甚至造成跑钢以至于损毁连铸关键设备结晶器。急需研究开发一种耐高温、热膨胀系数较小、高抗热震性的高温结构陶瓷材料，替代现有的定径水口氧化锆材料。

ZrO₂的Zr-O键断裂能高(737.8kj/mol)、熔点高(2700℃)、化学稳定性好，不易被金属溶液润湿侵蚀，其优异的抗金属熔体冲刷侵蚀性在方坯连铸系统中获得了较好的应用效果，所以现阶段ZrO₂是方坯连铸定径水口制造的首选材料。然而，ZrO₂晶型转变的体积效应较大、导热率小(仅为0.36W·m^-1·K^-1)、热膨胀系数高(α＝10×10^-6/℃左右)，氧化锆定径水口浇钢工作时水口的温度由预热温度800℃骤升至钢水温度1650℃，如此苛刻的热震条件极易导致氧化锆定径水口产生热震开裂。

ZrO₂具有多晶转变特性，各晶型的密度为：立方氧化锆(c-ZrO₂)6.27g/cm³、四方氧化锆(t-ZrO₂)6.10g/cm³、单斜氧化锆(m-ZrO₂)5.68g/cm³。在室温～2700℃温度范围内，随温度升高ZrO₂晶型转变的顺序为：m-ZrO₂→t-ZrO₂→c-ZrO₂，温度降低氧化锆晶型逆向转变，各晶型转变时均伴随有体积效应。非稳定氧化锆(N-ZrO₂)的m-ZrO₂与t-ZrO₂晶型转变具有马丁氏体可逆相变的特征，升温时晶型转变开始温度为1150℃，降温时相变开始温度为1100℃。由于t-ZrO₂→m-ZrO₂晶型转变的体积膨胀效应大，因此非稳定纯氧化锆难于制备出致密和强度高的烧结体材料。

在氧化锆原料中添加与Z⁴⁺离子半径相近的金属阳离子氧化物(CaO、MgO、Y₂O₃等)作为稳定剂，高温烧结后可获得2000℃至室温都能稳定存在的c-ZrO₂，能制备出烧结致密、强度高的实用氧化锆材料，但c-ZrO₂的热膨胀系数高，α＝10×10^-6/℃，经历高温差、温度急变的热震过程时的抗热震性能低，易发生热震断裂。

在氧化锆材料中引入少量稳定剂CaO、MgO、Y₂O₃制备的部分稳定氧化锆(P-ZrO₂)材料，比非稳定氧化锆及全稳定氧化锆的抗热震性能具有明显的提高，但是由P-ZrO₂材料制备的浇钢定径水口的抗热震性能仍然较差。

钛酸铝(Al₂TiO₅)陶瓷材料具有高的熔点(1860℃)，在室温～1000℃温度范围，钛酸铝具有低的热膨胀系数α(α小于零，或接近于零)，是目前仅有的低膨胀、高熔点的抗热震陶瓷材料。由钛酸铝材料制备的齿科不锈钢合金熔炼坩埚、有色金属铝冶炼坩埚、铸铝升液管、浮法玻璃流液闸板、汽车尾气净化器载体等获得较好的应用效果。