[发明专利]一种具有非晶/纳米晶结构的陶瓷材料及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种先进行粉体造粒，再进行复合粉体热处理， 继而由热处理所得粉体制备陶瓷材料及其陶瓷材料制品的方法。

(二)背景技术

具有高强度、高韧性、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的 一类先进结构陶瓷材料已逐步成为航空航天、船舶、汽车、新能源、电子信息、冶金、化工 等工业技术领域不可缺少的关键材料。

然而，目前的陶瓷材料广泛存在脆性大，可靠性较差的缺点，从而限制了其相关特性的 发挥和实际应用。近二、三十年来，世界各国的研究者们为解决陶瓷材料的脆性和可靠性问 题开展了大量的基础研究和应用开发。于是陶瓷材料由微米陶瓷向纳米陶瓷发展、单相陶瓷 向多相复合陶瓷发展就成为如今高性能陶瓷的重要发展趋势。

对陶瓷材料进行增韧补强是各国研究者们一直追求的目标，已经寻求到一些有效的方法， 如：相变增韧；颗粒、晶须或纤维增韧补强；纳米结构强韧化等。同时，也从理论上提出了 相关的机理，如：相变增韧、微裂纹增韧和弥散增韧等ZrO₂陶瓷的增韧机制；针对晶须增韧补 强陶瓷基复合材料的裂纹桥接、裂纹偏转、晶须拔出等机理；针对纳米复相陶瓷的晶内型韧 化和晶间型韧化的强韧化机理。

现有陶瓷材料的主要制备工艺包括粉体制备处理、成形和烧结。粉体制备处理通常涉及 将购来的所需组分的微米级至纳米级的陶瓷粉体混合、在物料中加入塑化剂和对陶瓷粉体进 行所谓的造粒，之后将粉体成形为所需形状的坯料，然后再通过适当的方式将坯料烧结成具 有最终性能的块体结构陶瓷材料。

因为陶瓷材料由粉体成形、烧结而成，不可避免地存在一定量的孔隙，不同成分和粒度 的粉体虽经球磨混料，仍难以达到十分均匀的程度。一般希望结构陶瓷粉体越细越好，有利 于高温烧结。但对成形时却不然，尤其对干压成形，因细粉流动性不好易产生空洞，导致坯 料致密度不高。这就是在成形前需进行粉体造粒的原因。造粒的方法中以喷雾干燥造粒法的 效果最好。然而，应当指出现行的造粒主要是考虑到有利于成形，没有考虑到可否通过适当 的粉体处理来调控粉体组织结构最终提高陶瓷材料的强韧性。

为了使陶瓷材料具有优异的强韧性能，以往制备工艺的研究多集中于粉体成形后的烧结、 多组分复相陶瓷的研发和发展纳米陶瓷。然而，至今还未见有通过处理调控粉体组织结构以 提高陶瓷材料强韧性能的报道。

经过对现有技术的文献检索发现，名称为：“大颗粒球形纳米陶瓷粉末的生产方法和应 用方法(中国专利申请号：02113987.3)”的中国专利涉及大颗粒球形纳米陶瓷粉末和工艺， 并涉及将大颗粒球形纳米陶瓷粉末应用于陶瓷制品。然而，该专利仅适用于所用的纳米粉体 粒径为5至90纳米(nm)，获得的大颗粒球形纳米陶瓷粉末粒径为5至90微米(μm)。更重要的 是，该专利不涉及含稀土添加剂相，也不涉及所得大颗粒球形纳米陶瓷粉末具有纳米/亚微米 尺度的三维网络状结构，还不涉及经过成形保温烧结后得到的块体陶瓷材料含有一定量的非 晶或纳米晶结构。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决现有陶瓷复合材料制备过程中烧结温度高、烧结时间 长，及产品性能差难以满足高应力、受冲击、强疲劳等工况条件下应用要求问题的一种具有 非晶/纳米晶结构的陶瓷材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种依据材料科学的基本原理，将相变增韧、弥散强化和稀 土改性作用相结合，采用优化的粉体处理工艺(再造粒)过程，调控粉体组织结构创制出具 有高强度、高硬度、高弹性模量、高韧性、高耐磨性、高抗蚀性、高热震性能、高疲劳抗力 的具有非晶/纳米晶结构的陶瓷材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种具有非晶/纳米晶结构的陶瓷材料及其制备方法，其特 征在于此种陶瓷材料的原料按1份混合陶瓷粉体、0.4～1份去离子水和0.01～0.015份陶瓷 粘结剂的质量份数比制成，其中混合陶瓷粉体由一种主相陶瓷粉体和一种添加剂相陶瓷粉体 混合制成，混合陶瓷粉体中主相陶瓷粉体质量百分含量占60％~99.9％和添加剂相陶瓷粉体质 量百分含量占0.1％~40％，此种陶瓷材料的制备过程包括以下三个步骤：第一步骤将原料造粒 成陶瓷复合粉体，第二步骤将陶瓷复合粉体进行热处理，第三步骤将热处理后的陶瓷复合粉 体成形、保温烧结制得陶瓷材料。

本发明还有这样一些技术特征：