[发明专利]低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，属于陶瓷耐磨材料技术领域。

背景技术

先进陶瓷也称高技术陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷等。先进陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，但远远超出了传统陶瓷的范畴，是陶瓷发展史上一次革命性的变化。先进陶瓷按用途可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。先进结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环保、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现方面都发挥了积极的作用。由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为许多新兴科学技术得以实现的关键，有着广泛的应用前景。

作为一种先进结构陶瓷，氧化铝陶瓷是目前新材料中研究最多、应用最广泛的一类氧化物陶瓷。氧化铝有许多同质异构体，如α、β、γ、χ、η等10多种，常见的就是α-Al2O3、β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃，其余的主要是铝土矿热分解过程中的过渡相。

α-Al₂O₃属六方晶系,是氧化铝晶型中唯一的热力学稳定相，也称作刚玉，单晶α-Al₂O₃的熔点达2051℃，密度为3.98g/cm³。

氧化铝陶瓷以其高硬度耐磨蚀著称，99氧化铝陶瓷的硬度接近莫氏硬度9，抗折强度在340MPa左右，断裂韧性比较差，K1c大约在2–3MPa.m^1/2。氧化铝陶瓷是发展比较早、成本较低、应用最广的一种陶瓷材料,在航天、航空、发动机耐磨部件、刀具等方面,具有十分诱人的应用前景。但是，由于它具有高脆性和均匀性差等致命弱点，影响了陶瓷零部件的工作可靠性和使用安全性，因此提高氧化铝陶瓷的韧性、提高强度对其更为广泛的应用具有重大意义。

氧化锆陶瓷是一种十分重要的结构和功能材料。氧化锆陶瓷具有相变增韧特性，属于自增韧陶瓷，具有非常好的韧性和优良的力学性能，能弥补陶瓷材料的脆性缺陷。在几乎所有的陶瓷材料中，ZrO₂陶瓷的断裂韧性是最高的，被誉为“陶瓷钢”；适合制作各种耐磨、抗冲击部件。

常压下纯的ZrO₂有三种形态：单斜相(Monoclinic)、四方相(Tetragonal)和立方相(Cubic)。根据亚稳四方相在应力诱导下的相变增韧作用，ZrO₂相变增韧陶瓷主要类型有以下三种：1)立方相基体上弥散分布着四方相氧化锆的双相组织，即部分稳定的氧化锆(PSZ)增韧陶瓷，如Mg-PSZ；2)四方相氧化锆弥散分布到其它陶瓷基体中中，即弥散四方相氧化锆(ZTC)增韧陶瓷，如ZTA；3)完全由四方相氧化锆微晶组成的四方多晶氧化锆(TZP)增韧陶瓷，如Y-TZP。

有学者的实验室研究表明：完全由四方相氧化锆微晶组成的四方多晶氧化锆(TZP)增韧陶瓷，如3mol％氧化钇稳定的氧化锆陶瓷即Y-TZP是目前力学性能最好的陶瓷材料。它的断裂强度可达到2000MPa，断裂韧性达到20MPa·m^1/2；硬度HRc达到88。它本身还可以作为增韧剂添加到其它体系的陶瓷中来改善其脆性；最成功的例子就是氧化锆增韧氧化铝陶瓷即ZTA陶瓷。

ZTA陶瓷最常用的制备方法就是化学共沉淀法。具体过程如下：

(1)用含有锆、钇、铝三种离子的盐类在严格控制酸碱度以及温度的条件下化学共沉淀先得到三种离子的氢氧化物；

(2)烘干、煅烧；

(3)球磨分散成浆体；

(4)喷雾造粒成类似球状的细小颗粒；

上述制备过程是目前ZTA陶瓷造粒粉典型的制备方法，存在如下缺点：

(1)生产成本高，所用原料都是试剂级的；

(2)环境有污染，废水问题；

(3)工艺过程复杂，不易于批量化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，其工艺和设备简单、成本低、无污染，易于批量化生产，本发明制备的氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉纯度高、球形度好、原晶粒度细小、好成型、易于烧结。

本发明所述的低成本氧化锆增韧氧化铝陶瓷造粒粉的制备方法，具体步骤如下：