[发明专利]一种铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料及其制备方法，属于无机非金属（陶瓷）材料领域。

背景技术

    氧化锆陶瓷是二十世纪七十年代发展起来的一类极有发展前途的新型结构陶瓷。1972年，澳大利亚的R.G.Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定氧化锆陶瓷(Ca-PSZ)，并首次指出部分稳定化ZrO₂(PSZ)的相变增韧原理，极大地扩展了ZrO₂在结构陶瓷领域的应用。

    氧化锆陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、强度高、硬度大、热膨胀系数接近于钢等优良性能，被广泛运用于结构陶瓷领域，它在机械、电子、石油、化工、航天、纺织、精密测量仪器、精密机床、生物工程和医疗器械等行业有着广泛的应用前景；由于氧化锆陶瓷具有生物相容性好、常温绝缘高温导电以及优异的电性能参数等优点，广泛运用在功能陶瓷领域，主要应用在氧传感器、敏感元件、高温电极材料等方面。

由于氧化锆具有有三种晶型：立方、四方和单斜，他们之间存在着晶型转变，常常伴随着体积变化，造成陶瓷材料的破裂，因此纯氧化锆的应用受到了很大的限制。常温下存在的是单斜的氧化锆，四方和立方都是高温相。为了稳定氧化锆，必须添加一定的稳定剂，常用的稳定剂有氧化钇（Y₂O₃）、二氧化铈（CeO₂）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）等。其中最常用的是Y₂O₃，研究最多的也是Y₂O₃。但是研究发现，Y₂O₃稳定的氧化锆陶瓷材料在使用时存在一些不足，在高温高湿度环境下其力学性能退化很快，使其使用环境温度受限。然而CeO₂稳定的氧化锆陶瓷材料就可以克服这些不足，是一种较理想的氧化锆稳定剂，作为稳定剂与Y₂O₃ 相比还有如下优点：价格低廉，且能在较宽的范围内与氧化锆形成立方相固溶区，且不需要超细粉末即可制得性能较好的氧化锆陶瓷材料，并能使立方相氧化锆陶瓷材料稳定在室温。 

立方相氧化锆陶瓷属于萤石结构（AB₂型结构），略偏于理想结构。由于该结构的特殊性——存在氧八面体空隙，非常利于阳离子的迁移和扩散，因此具有很强的固体电解质导电能力。尽管在力学性能立方相氧化锆不如四方相氧化锆陶瓷材料，但立方相氧化锆陶瓷主要运用在首饰、氧传感器、敏感元件、固体氧化物燃料电池、高温电极材料等领域。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料及其制备方法，采用二氧化铈来稳定氧化锆陶瓷材料，采用传统陶瓷制备工艺，制定合适的烧结制度，在较低的烧结温度下，常压氧气气氛烧结制备铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料。 

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料，采用商业微米氧化锆Zr_0.8Ce_0.2O₂粉体和二氧化钛微米粉作为初始粉料，其质量百分比组成为：

商业氧化锆粉末90~100wt%，二氧化钛0~10wt%。

所述商业微米氧化锆Zr_0.8Ce_0.2O₂粉体为氧化锆80mol%，二氧化铈20mol%。

一种铈稳定的立方氧化锆陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）称样：按照上述比例称取一定质量的商业氧化锆粉末和二氧化钛粉末；

（2）混料：将称量好的粉料、无水酒精及球磨子放入球磨罐中混料，料球比为1.5:1，酒精粉料质量比为4:1；

（3）球磨：将混合料球磨，球磨机转速为50转/min，球磨时间为10h；

（4）烘干：将球磨好的粉料在烘箱内烘干，烘干温度为100℃；

（5）煅烧：将烘干的粉体置于马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为1000℃，保温时间为5h；

（6）二次球磨：将煅烧好的粉体再次置于球磨机中球磨，球磨时间10h；

（7）出料烘干：球磨之后出料，将浆料置于烘箱内烘干，烘干温度为100℃；

（8）造粒：将烘干之后的粉料进行造粒，过40目筛，形成具有良好流动性的粉料；

（9）干压成型：将造粒之后的粉料放入金属模具中进行预成型压制，成型压力为3MPa；