[发明专利]一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法

说明书

本发明公开了一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法，该方法采用分析纯99.5％的ZnO粉末，取浓度为2mol/L，添加比～10wt％醋酸溶液与ZnO粉料进行混合，充分研磨均匀，倒入石墨模具，施加3.8‑50MPa压力，保压5min后，在真空环境下以50℃/min的速率升温加热至120‑300℃，保温5min。本发明采用放电等离子体辅助冷烧结的方式，得到高致密度的ZnO陶瓷，相对致密度高于98％，其晶粒生长活化能仅为78.8kJ/mol，约为传统高温烧结的三分之一，烧结耗能从传统烧结的78.76MJ降低到0.11MJ，晶界阻抗随烧结温度的升高而下降，从120℃烧结试样的9.82×10⁶Ω下降到250℃烧结试样的2.75×10³Ω。

技术领域

本发明涉及ZnO陶瓷的制备方法，特别涉及一种基于放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法。

背景技术

ZnO由于禁带宽度窄，约为3.37eV，且具有大量的点缺陷如锌填隙、氧空位等，是一种典型的N型半导体，常用作压敏、气敏、热电以及光学等器件的基础材料而被广泛研究。通常，为了使ZnO陶瓷具有高的致密度和一定的机械性能，烧结温度需要在1000℃以上。然而，高的烧结温度会造成高的能耗，既不经济也不环保。另外，高的烧结温度会导致晶粒的过分长大，晶粒尺寸难以控制。高的烧结温度还会造成ZnO功能陶瓷的液相挥发，比如ZnO压敏陶瓷富铋相的挥发，导致晶界性能劣化，非线性系数下降等。

近年来，低温快速烧结成为了国内外研究的热点，人们逐渐开发出多种新的烧结技术，诸如热压烧结(Hot pressing sintering),液相烧结(Liquid sintering)，微波烧结(Microwave sintering)，闪烧(Flashing sintering)，放电等离子体烧结(Spark plasmasintering,SPS)和冷烧结(Cold sintering process,CSP)。其中，SPS具有高的升温速率(可达100℃/min)，可使陶瓷的烧结致密化温度比传统烧结方法下降数百摄氏度，比如SPS烧结ZnO陶瓷，在750℃烧结20min即可达到其理论密度的95％。液相也是陶瓷低温烧结的关键因素之一，Guillon等通过SPS对比研究了干燥的ZnO粉末和潮湿的ZnO粉末的烧结过程，发现采用SPS快速升温(100/min)，受潮的纳米(20～50nm)粉末在400℃烧结10min后，致密度可达95％以上，并认为OH^–可能在陶瓷的致密化过程中起了关键作用。Luo等人也发现水分在ZnO陶瓷的闪烧过程中起着重要作用，采用水分辅助闪烧(Water-assisted flashingsintering)，仅需30s即可使ZnO的致密度达到98％，但闪烧的过程中需要对试样施加200V/cm的场强和0.6W/mm³的功率，使试样在烧结的过程中内部温度维持在1100℃以上。尽管如此，这些方法的烧结温度仍然较高，得到的ZnO陶瓷的致密度也不是很理想。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：提供一种温度低，烧结时间短，外施压力小的放电等离子体辅助冷烧结制备ZnO陶瓷的方法，制备出高致密度的ZnO陶瓷。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于放电等离子体辅助冷烧结制

备ZnO陶瓷的方法，包括如下步骤：

S1：采用分析纯99.5％的商用ZnO粉末，取浓度为0.5-3mol/L，添加比5-20wt％醋酸溶液与ZnO粉料进行混合；

S2：将S1中的混料充分研磨均匀，倒入石墨模具；施加1-50MPa压力，保压1-5min后，在真空环境下，开始以30-100℃/min的速率升温，加热至120-300℃进行烧结，并保温1-15min，得到ZnO陶瓷。

作为改进，所述S1中醋酸溶液的浓度为2mol/L。

作为改进，：所述S2中升温速率为50-100℃/min。