[发明专利]一种超细晶氧化锆陶瓷的烧制方法

说明书

技术领域

本发明属于结构陶瓷材料的制备技术领域，特别涉及一种氧化锆陶瓷的烧制方法。

背景技术

3%mol氧化钇部分稳定的四方多晶氧化锆陶瓷（3Y-TZP）是一种综合性能良好的氧化锆材料，在化工、机械制造、电子信息和航空航天等领域得到了广泛应用。晶粒尺寸和致密度会显著影响到3Y-TZP陶瓷的性能。当陶瓷材料达到高致密和超细晶状态时，材料性能会得到显著的提高。因此，在烧结过程中，同时实现全致密（≥99%）和有效抑制晶粒生长具有重要意义。为了获得超细晶的材料，通常会选择使用超细晶甚至纳米粉末为初始原料。这些粉末虽然具有高的比表面能，可以降低烧结温度，但是在烧结致密化过程中，通常也不可避免地伴随着晶粒的快速长大。为此，人们采用了各种不同的手段来制备晶粒细小的高致密度超细晶(100nm~1μm)或纳米陶瓷(＜100nm)。归纳起来，主要包括以下两种途径：一种是添加烧结助剂，另一种是在烧结过程中外加压力。这两种方法都有一些局限性，例如前者往往会导致陶瓷材料某些重要性能的劣化，而后者则会显著增加制备成本。因此人们一直希望能够在不添加烧结助剂的情况下，仅通过改进常压烧结制度，获得致密的超细晶甚至纳米晶材料。

I.W. Chen, X.H. Wang (“Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth,” Nature, 404, 168-171 (2000)) 提出了一种通过两步烧结法在常压烧结条件下获得全致密纳米陶瓷的新技术。该法第一步采用的升温速率较慢（40~50℃/min），无法抑制过程中的晶粒长大。本发明对此进行了改进，通过增加升降温速率，减少坯体在高温段停留的时间，在保证致密化的同时，进一步减小了晶粒尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种致密度高、晶粒细小的氧化锆陶瓷烧制方法。

本发明的基本思想是：将商业化的3Y-TZP纳米粉喷雾造粒、机械模压、脱脂后，再经过两步烧结制备全致密的超细晶氧化锆陶瓷。通过增加第一步烧结过程中的升降温速率，减少坯体在高温段停留的时间，在保证致密化的同时，进一步减小晶粒尺寸。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤一：以市售粒径30~60nm的3Y-TZP纳米粉为原料，经过喷雾造粒、模压制成生坯。

步骤二：将生坯放入烧结炉中，以5℃/分钟升温至550~600℃，保温1~2小时，脱脂。

步骤三：升温速率为400~500℃/分钟，将炉温快速升至1300~1400℃，保温时间为1~3分钟。

步骤四：降温速率为150~200℃/分钟，将炉温快速降至1150~1200℃，保温时间为10~20小时。

步骤五：随炉降温至室温，得到超细晶氧化锆陶瓷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过采用快速升温的手段，显著缩短了烧结过程中坯体在高温段的停留时间，避免了晶粒在烧结的第一阶段即发生明显长大；通过采用快速降温的手段，不仅进一步缩短了烧结体在高温段的停留时间，而且提供了额外的烧结活性，使得在第二阶段烧结温度较低的情况下仍能获得致密的烧结体，最终在不添加烧结助剂和烧结压力的情况下，获得了致密度>99%，晶粒尺寸在150~180nm的超细晶3Y-TZP氧化锆陶瓷。

附图说明

图1为实施例1制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。

图2为实施例2制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。

图3为对比例2制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。

图4为对比例3制备3Y-TZP陶瓷的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了相关的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

称取喷雾造粒后的3Y-TZP粉末10g，经机械模压后获得Φ20mm的生坯，生坯致密度为50.4%。然后将生坯放入箱式炉中，以5℃/分钟升温至600℃，保温1小时进行脱脂。再以400~500℃/分钟的升温速度将温度升至1400℃，保温1分钟，然后以150~200℃/分钟降温至1200℃，保温10小时，最后随炉降温至室温。所得3Y-TZP氧化锆陶瓷的致密度为99.5%，平均晶粒尺寸为180nm。

实施例2