[发明专利]一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于高性能氧化铝陶瓷制备技术领域，特别涉及一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法与应用。

背景技术

氧化铝陶瓷是一种以A1₂O₃为主要原料，以刚玉(α-A1₂O₃)为主晶相的陶瓷材料。氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。氧化铝基陶瓷材料具有弹性模量大、热稳定性好、质量轻、价格低廉、资源丰富等特点，广泛应用于高温、高压、抗辐射、抗冲击、耐磨损、耐腐蚀等环境。然而其本身的脆性限制了应用范围。目前已开发利用的TiC颗粒、SiC颗粒或晶须、ZrO₂相变等多种增韧方法，虽然取得了较好的增韧效果，但均有不同程度的缺陷。碳纳米管(简写为CNTs)以来，因其具有超高弹性模量、超高拉伸强度、高弯曲强度，及高的韧性，而且在失效前能承受很大的应变，已成为短纤维增韧的首选。研究发现，CNTs的引入能不同程度的增强增韧氧化铝陶瓷。但CNTs由于比表面积大，表面能高，碳管之间往往以较强的范德华力团聚在一起，尤其是有机物催化裂解法制备的CNTs经常弯曲缠绕在一起，这将会减小CNTs的长径比，影响CNTs增强复合材料的增强效果。

氧化铝离子键较强，从而导致其质点扩散系数低、烧结温度较高(超过1700℃)。如此高的烧结温度将促使晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低，同时也造成材料气密性差。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，从而降低生产成本。因此，常引入一些添加剂来降低其烧结温度，然而，传统的添加剂引入方式一般直接加入配好的添加剂湿混球磨，这种方法容易产生添加剂分布不均匀的现象；同时还会导致CNTs折断和粗化。由于氧化铝的熔点高，工业上制备全致密的碳化硅陶瓷常常采用无压或加压烧结，所使用的烧结温度通常较高(超过1700℃)，高温保温时间较长(超过30min)，导致晶粒剧烈长大，并阻碍气孔的排除。CNTs和添加剂的分布不均匀，以及气孔的存在导致氧化铝陶瓷的综合力学性能(如硬度、强度及断裂韧性)大幅下降。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高韧性氧化铝陶瓷及其制备方法与应用。本发明的上述目的是采用如下技术方案于以实现的：

一种高韧性氧化铝陶瓷，其特征在于它由Al(OH)₃粉体、Y(NO₃)₃粉体和经预处理的碳纳米管按摩尔比为Al(OH)₃：Y(NO₃)₃：CNTs＝80～120：0.9～1.1：9～11投料制备而成。

所述的高韧性氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于该方法步骤如下：

a)CNTs预处理

配制体积比为3：1的H2SO4/HNO3混酸溶液，将一定质量的CNTs置入到混酸溶液中超声处理至CNTs在混酸中呈粘稠状黑色，将混酸溶液稀释后，抽滤，洗涤CNTs至pH＝7，烘干后，置入质量百分浓度3-8％的聚乙烯醇中进行超声分散后，脱溶，烘干后得到预处理的CNTs；

b)制备具有“壳-核”复合结构的纳米粉体

将按摩尔比为Al(OH)₃：Y(NO₃)₃：CNTs＝80～120：0.9～1.1：9～11称取的Al(OH)₃粉体、Y(NO₃)₃粉体和经预处理的碳纳米管溶于乙醇中，并加入分散剂，超声振荡使分散均匀的悬浊液；然后在不断搅拌的条件下，向上述悬浊液中以1～5 /min的速率滴加弱碱性溶液，以形成添加剂离子的沉淀，使沉淀物以氧化铝颗粒和碳纳米管为形核中心形成异质形核沉淀，当pH值为8～9时停止滴加弱碱性溶液，继续搅拌1～3h，以使得沉淀反应均匀充分；再将得到的悬浊液经过滤、醇洗、烘干，得到Al₂O₃、Y₂O₃和碳纳米管的纳米混合粉体；

c)放电等离子烧结

把所得混合粉体装入直径为20mm的石墨模具中，然后放入放电等离子烧结炉中进行分段加压烧结，首先，在30MPa的压力下，随炉升温到600℃，然后，以150 ℃/min的升温速度升温到1150℃，此时，升高压力到60MPa，并在1min内升温到1200℃；最后在该温度保温3分钟后停止加热并随炉冷却；

d)双面抛光处理