[发明专利]一种高硬高强韧氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化铝陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种高硬高强韧氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷是一种常见的陶瓷材料，其硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损，兼具良好的抗氧化性、化学稳定性以及密度低等优势，而且其原料来源广泛、价格便宜，因此可大量应用在国防军工、航空航天、机械、电子、医疗、化工等领域。但是氧化铝陶瓷本身的韧性非常差，室温下的断裂韧性只有～3MPa·m^1/2(平均值)，为了提高氧化铝陶瓷的韧性，很多学者都做过氧化铝陶瓷的增韧研究，常见的氧化铝陶瓷增韧手段包括纳米颗粒增韧、晶须增韧、ZrO₂相变增韧等。

纳米颗粒增韧，是一种常见的氧化铝陶瓷增韧方式，与传统的微米级颗粒相比，纳米颗粒比表面积大，烧结活化能低，故复合粉体烧结温度低。氧化铝可与纳米级金属材料颗粒复合(如延性金属单质或金属间化合物纳米颗粒)，后者作为增韧相，不仅可以细化Al₂O₃晶粒，改善烧结性能，还能以多种方式阻碍裂纹的扩展，如金属粒子的拔出、塑性变形以及裂纹桥接、偏转、钉扎等，使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性都得以提高。Fahrenholtz等(FahrenholtzWG,EllerbyDT,LoehmanRE.Al₂O₃-Nicompositeswithhighstrengthandfracturetoughness.JAmCeramSoc.2000；83:1279-80.)利用原位反应和热压法(HP)制备的Ni/Al₂O₃的断裂韧性达12.1MPa·m^1/2，抗弯强度约为610MPa。添加金属单质或者金属间化合物增韧效果明显，但会降低氧化铝陶瓷的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能。

晶须增韧，是利用晶须的拔出和桥接作用机制，有效地延缓裂纹的扩展，达到增韧效果，且晶须本身也有助于提高氧化铝陶瓷的耐高温、耐腐蚀性能。彭晓峰等(彭晓峰,黄校先,张玉峰.碳化硅晶须补强氧化铝复合材料的制备及其力学性能[J].无机材料学报,1998.13(4):469-476.)研究了Al₂O₃-SiCw晶须增韧材料的高温力学性能，制备出的Al₂O₃-30vol.％SiCw晶须增韧材料的断裂韧性和横向断裂强度在1200℃时仍可达6.1MPa·m^1/2和560MPa。但是晶须本身制备过程复杂、成本较高，且对人体具有毒性。

ZrO₂相变增韧，利用添加了稳定剂Y₂O₃的ZrO₂在室温时从四方相(t相)转变为单斜相(m相)产生的体积膨胀，在Al₂O₃基体内产生微裂纹和残余压应力等来产生韧化效果，同时ZrO₂颗粒的存在对Al₂O₃晶粒起到钉扎作用，延缓了其晶粒长大。

Huang等(HuangXW,WangSW,HuangXX.MicrostructureandmechanicalpropertiesofZTAfabricatedbyliquidphasesintering.CeramInt.2003；29:765-9.)在ZTA(Zirconia-ToughenedAlumina)材料中添加了1wt.％TiO₂、1wt.％MnO₂和2wt.％CaO–Al₂O₃–SiO₂(CAS)烧结助剂，使烧结温度降到1400℃，但加入了4wt.％低硬度、低熔点的烧结助剂会降低复合陶瓷的硬度和高温性能。

中国专利CN101289320A公开了一种制备氧化锆增韧氧化铝材料的方法，即采用溶胶凝胶法，从先驱体里面制取Al₂O₃和ZrO₂纳米粉末，经过500～900℃煅烧、预制压坯后，再经1500～1600℃烧结成型，该方法制备的氧化锆增韧氧化铝材料的断裂韧性高达12.7MPa·m^1/2。但是该方法的工艺流程冗长，溶胶凝胶法难操作，且烧结温度高、耗时长，从而限制了该专利的规模化应用。

发明内容