[发明专利]一种适合制备高强度高韧性钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的粉体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，尤其涉及一种用于制备四方多晶氧化锆陶瓷的粉体材料及其制备方法。

背景技术

氧化锆陶瓷是一种高性能结构材料，因具有良好的力学性能而被称为“陶瓷钢”，但氧化锆的晶相变化又十分特殊，即在1100℃左右发生四方相-单斜相转变，并且该晶相转变会产生显著的体积变化，这对氧化锆陶瓷十分不利，极易发生开裂，无法获得完整的制品。为避免这种情况，现有技术采取将氧化锆的四方相-单斜相转变温度降低至室温以下的方法，即在室温下便可得到稳定存在的四方相氧化锆，从而保证了材料的强度性能。

降低相转变温度的措施主要是添加特定氧化物进行掺杂。通过掺杂物与氧化锆形成亚微米级的固溶体晶粒，改变其晶胞参数，提高晶格中的缺陷浓度，产生“钉扎效应”，从而阻止四方相-单斜相的相转变。目前常用的掺杂元素有钇、钙、镁、钪和铈等，其中钇的使用最为广泛。现有技术中，在氧化钇添加量低于3mol％时，氧化锆陶瓷中为四方相与单斜相共存，形成部分稳定氧化锆，其强度低、韧性差，甚至会发生开裂，不适合作为高端结构材料和生物材料使用；在氧化钇添加量大于等于3mol％时，氧化锆陶瓷为单一的四方相结构，具有极高的力学强度。为此，实际生产应用中，国内外的厂商均是以添加3mol％氧化钇，作为TZP(Tetragonal Zirconia Polycrystalline，四方氧化锆多晶体)材料用粉的标准来执行，简称3Y-TZP材料。目前，3Y-TZP材料已大规模应用在光纤连接器用插芯和套管、全锆瓷牙齿、磨介、手表瓷、陶瓷刀等行业。

虽然上述氧化锆粉体的研究成果为其应用和发展起到了有效的推动作用，但是随着粉体制备技术的快速发展，3Y-TZP陶瓷的性能并没有显著提高，反而存在着性能退化的问题；尤其是断裂韧性反而逐渐下降，常见产品只有不到7MPa·m^1/2，这种现象至今无法解释和解决。因此目前的氧化锆材料已难以适应当前越来越高的应用需求，也不利于氧化锆粉体技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适合制备高强度高韧性钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的粉体材料，以便使用该粉体材料制备的TZP陶瓷既能在室温下实现全四方相氧化锆的稳定存在、同时又具有良好的强度和韧性指标，而且还能大幅减少稀土材料氧化钇的使用，可以更好地促进氧化锆材料技术的应用和发展。本发明的另一目的在于提供上述粉体材料的制备方法，以提供先进可靠的工艺，容易地实现绿色生产，且便于推广和应用，从而适宜于工业化规模生产。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种适合制备高强度高韧性钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷的粉体材料，由氧化锆和氧化钇组成；所述氧化钇的含量为Zr⁴⁺总量的1.4～2.6mol％；所述粉体材料原晶平均粒径为50～110nm。

本申请发明人通过多年的探索研究和生产实践，认为现有技术添加3mol％氧化钇的3Y-TZP材料中晶粒细化后的四方相过于稳定，缺少可用于应力诱导相变增韧的四方相，从而导致性能退化，韧性难以提高，相反有明显下降。同时认为，氧化钇的稳定作用可以与材料的晶粒尺寸产生协同效应，降低材料的晶粒尺寸可以减少氧化钇的添加量，但并不破坏TZP中四方相的平衡；而且，减少氧化钇的添加量可活化TZP中的四方相，使之在受到外力时可发生相变，为TZP材料提供相变增韧，从而明显提高TZP材料的断裂韧性。为此，本发明提出上述技术方案，在保证其高强度的同时优化提高材料断裂韧性等性能。

上述方案中，本发明所述粉体材料以氧氯化锆和氧化钇为原料，经水解-水热反应、煅烧、破碎制得。为进一步保证高强度高韧性四方多晶氧化锆陶瓷相结构及高性能的获得，本发明破碎后制得的粉体材料其二次粒子平均粒径为160～180nm。所述粉体材料的晶相结构为四方相与单斜相共存，其中四方相的含量为15～40wt％。

本发明所述粉体材料经烧结(通常情况下1350℃以上即可烧结，如使用SPS等特殊工艺，烧结温度可低至1100℃)而获得烧结体即氧化锆陶瓷，其烧结体的相结构为100％四方相，既能在室温下实现全四方相氧化锆的稳定存在，从而保证其高强度的特点，同时减少了钇的掺杂量，进一步优化了氧化锆的断裂韧性等而获得高性能的四方多晶氧化锆陶瓷。本发明所述粉体材料其烧结体的晶粒尺寸为150～300nm，密度为6.06～6.10g/cm³，抗折强度为1100～1300MPa，断裂韧性为8.6～13.5MPa·m^1/2。