[发明专利]一种微波烧结低温制备TiB2和CuO共掺3Y-TZP纳米复合陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波烧结制备3Y-TZP纳米复合陶瓷的方法，尤其涉及一种微波烧结低温制备TiB₂和CuO共掺3Y-TZP纳米复合陶瓷的方法。

背景技术

Y₂O₃稳定的四方ZrO₂多晶体(3Y-TZP)具有优良的抗弯强度和断裂韧性，是目前最常用的一类ZrO₂增韧陶瓷材料，它在电子、机械、石油、化工等行业越来越受到重视，有着广泛的应用前景。但3Y-TZP的硬度、强度不高，在100～400℃下长期使用，易发生低温老化现象，导致性能急剧下降；而且3Y-TZP陶瓷的热压烧结不能制备形状复杂零件、真空烧结温度高（一般要1400～1600 ℃）导致晶粒粗大，强韧性差。

研究表明，向3Y -TZP中添加高弹性模量颗粒可以提高其强度和韧性、有效抑制其低温老化现象，其中卓见成效的是弥散Al₂O₃颗粒，但很多研究表明Al₂O₃增韧效果不明显，甚至降低了基体的断裂韧性，因此，有必要寻找一种能够对3Y -TZP有效增韧又能抑制其低温老化的弥散相的新型低成本ZrO₂基陶瓷。

TiB₂具有高熔点、高强度、高硬度、高弹性模量、优良的耐磨性、良好的导电性、极好的化学稳定性和抗热性能等优点。因此，在复合材料中作为增强相而被广泛应用。与其它陶瓷颗粒相比，TiB₂良好的导电性有利于二次成型，可加工成各种形状的构件。正是由于这些优良的性能，使TiB₂受到了研究工作者们的广泛关注，TiB₂颗粒增强复合材料也得以迅速发展。

研究表明，CuO能促进ZrO₂陶瓷烧结，根据CuO(Cu₂O)-Y₂O₃-ZrO₂相图，CuO对烧结的影响是由于CuO(Cu₂O)-Y₂O₃-ZrO₂三元中低共熔液相的形成，使得ZrO₂致密化扩散速率大大加快，从而提高材料致密化速率，降低烧结温度。

纳米技术的出现在改善传统陶瓷材料性能方面显示出极大的优势，加入纳米颗粒后陶瓷材料的室温强度和韧性大为提高，高温强度和抗蠕变性能也有显著改善，因此陶瓷粉体一般选择纳米粉。

目前所报道的3Y-TZP陶瓷烧结工艺主要有热压烧结和真空烧结等，但热压烧结制备材料性能较好，但成本较高，且不能用于制备复杂零件，而真空烧结的烧结温度过高、时间过长。微波烧结是一种低温快速烧结，微波烧结时在微波电磁能的作用下材料内部分子或离子动能增加，降低了烧结活化能，从而加速了陶瓷材料的致密化速度，缩短了烧结时间（同时也可以降低烧结温度）。而且由于扩散系数的提高，使得材料晶界扩散加强，提高了陶瓷材料的致密度，实现了材料的低温快速烧结，从而可以改善烧结体的显微结构，大大提高材料强韧性。目前采用微波烧结方法已成功制备出了一些晶粒细小、强韧性很高的陶瓷，如Al₂O₃、AlN、SiC和Si₃N₄陶瓷等。

本发明通过选择TiB₂和CuO共掺3Y-TZP陶瓷，通过掺杂硬质相TiB₂粒子弥散分布于基体中，当材料内部微裂纹遇到该粒子时将发生弯曲与偏转，增加了裂纹扩展途径，消耗了更多能量，起到补强增韧作用。通过掺杂CuO可以促使CuO(Cu₂O)-Y₂O₃-ZrO₂三元中低共熔液相的形成，使得ZrO₂的致密化扩散速率大大加快，从而提高材料的致密化速率，降低烧结温度。

本发明通过成分设计和微波烧结低温制备晶粒细小、较高强度和断裂韧性的3Y-TZP纳米复合陶瓷，可有效提升其力学性能，同时烧结温度低，节约成本生产，适合工业化生产，本发明可为其实用化奠定良好基础。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种微波烧结低温制备TiB₂和CuO共掺3Y-TZP纳米复合陶瓷的方法，解决目前TZP陶瓷烧结温度高、强度和断裂韧性低的问题。

本发明是这样来实现的，其特征在于方法步骤为：