[发明专利]低温无压烧结纳米陶瓷用高烧结活性复合纳米ZrO2粉末微球的一步合成法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高烧结活性复合纳米ZrO₂粉末微球的制备方法，特别涉及一种以廉价化学试剂为原料，在溶液中一步法合成直接用于低温无压烧结纳米陶瓷的高烧结活性复合纳米ZrO2粉末微球。

背景技术

由于纳米陶瓷是由尺度为纳米级的粒子固化而成的，因此纳米陶瓷的性能与粉体性能以及制备工艺密切相关。一般来说，要制备纳米陶瓷, 首先要制备出相应的由纳米微粒组成的纳米粉末,然后利用加压等方法将其制成二维的陶瓷薄膜或三维的块体, 最后通过烧结制成高度致密的纳米陶瓷制品。在此过程中, 纳米粉体的形状、颗粒尺寸、粒径分布及结晶化程度对制备过程和制品性能有着直接的影响。研究发现,纳米陶瓷烧结时，用放电等离子烧结实现的陶瓷超快速烧结, 使烧结速率提高到了600℃/min 和保温时间为0，但所得样品的晶粒尺寸仍然与相同温度下的其他烧结方法所得无异。因此可以认为对陶瓷烧结过程中控制晶粒长大而言, 温度是决定因素, 而烧结时间的影响是次要的。要降低烧结温度, 又要使样品致密, 在烧结时施加压力无疑是最有效的办法, 所以目前制备纳米陶瓷的烧结方法主要是采用高温等静压、热压和热煅压等手段。

与高压烧结工艺相比，无压烧结工艺的设备简单、控制方便, 有利于工业化生产, 但目前采用无压烧结制备纳米陶瓷是很困难的。这主要是由于无压烧结需依靠较高的温度使陶瓷致密化, 而烧结温度提高, 陶瓷晶粒也随即长大, 晶粒尺寸很难控制在100nm以下。实验表明, 通过加大成型压力, 提高素坯的初始密度, 也可以降低纳米陶瓷的烧结温度。在纳米陶瓷的制备中, 目前广泛应用的成型方法是冷等静压成型，该法一方面可获得较高的素坯密度，另一方面是可压碎粉体中的团聚体而获得均匀性好的素坯。但通常素坯成型所用的冷等静压的最高压力在500-600MPa 左右, 不能无限制地提高, 而纳米陶瓷粉体因其粒度小(10～100nm),其单位体积中的颗粒接触点多,成型过程中的摩擦阻力大, 因此用通常冷等静压成型很难得到高密度的陶瓷素坯, 从而使烧结温度不能进一步降低, 晶粒不能进一步减小。既然用通常冷等静压成型方法很难得到高密度的陶瓷素坯，那么采用新的成型方法大幅提高成型压力而提高素坯密度, 是进一步降低陶瓷烧结温度而减小晶粒的有效方法。然而，该方法对设备要求极高，如需要超高压成型设备等。此外，一般的超高压成型由于压力太高, 都有一个比较明显的缺点, 就是由于受压不均, 造成素坯结构不均匀, 同时所得到的样品太少。

因此，低温无压烧结纳米陶瓷的制备面对的问题在于，一方面如何使纳米粉末通过普通的冷等静压成型获得较高致密度的素坯，另一方面是素坯如何在有利于控制纳米晶粒生长的较低的烧结温度下烧结达到高的致密度。因此，其解决方法可从如下两方面加以考虑：（1）在现有冷等静压压力受限的基础上采用有利于冷等静压成型提高素坯致密度的具有特殊形貌的给料粉末。众所周知，微米级球形给料粉末是实现这一方案的最佳选择。一方面微球因粒度较大，其单位体积中颗粒接触点相对纳米颗粒来说要少,故成型中的摩擦阻力相对较小。另一方面，球体流动性好，有利于粉末松装密度的提高。因此，以上两方面的直接结果就是素坯致密度的提高。（2）烧结过程中尽量利用较低的烧结温度实现材料的致密化。自然而然，能降低烧结温度的烧结助剂就成为非常好的选择。即通过在粉末制备过程中有意识添加烧结助剂而降低烧结温度以控制纳米晶粒的长大，从而为无压烧结纳米陶瓷的致密化创造可能。但值得注意的是，烧结助剂的加入不能影响最终产品的性能，最好对纳米陶瓷性能有积极作用。

目前，纳米粉末微球的制备工艺基本上都是多步法，即先制备纳米粉末，再喷雾干燥造微米粒。以上处理方式影响因素繁多，工艺参数复杂。先不说制备纳米粉末工艺的影响因素，单单纳米粉末进行喷雾干燥造粒工艺过程一般就包括以下步骤：                                                用超声波方法，在液体介质中分散纳米粉末； 液体介质中加入有机粘结剂，配成一定浓度的浆料； 将浆料喷雾干燥，形成一定粒径和密度适用于纳米陶瓷成型的纳米团聚微球结构； 热处理除去有机粘结剂。