[发明专利]镍钴合金/四方多晶氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种镍钴合金/四方多晶氧化锆复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

目前，材料器件的小型化、集成化和多功能化成为材料领域发展的需求。针对无机非金属材料而言，陶瓷材料的结构功能一体化能够扩大其在高新技术领域中的应用，这已经受到科研人员的高度关注。其中，将磁性颗粒作为第二相掺入结构陶瓷中，形成“磁性颗粒分散相/结构陶瓷基体”的多相复合陶瓷，其在兼顾结构性能的同时，具备电磁屏蔽、防止干扰或者吸波功能。该种复合材料可以广泛地应用在航天军工、机械工业、电子、冶金、能源等领域。

氧化锆陶瓷具有优异的力学性能，在实验与理论的研究中早已成为热点主题，而且，已经在陶瓷、机械、化工、电子、能源等工业领域中作为结构陶瓷、耐磨耐腐蚀陶瓷、高温电解质材料等得到广泛应用。其中，氧化钇稳定的四方多晶氧化锆材料，是氧化锆增韧陶瓷中的一种。它的烧结温度低，在室温时内部含有高含量的四方氧化锆相，起到相变增韧作用，表现出极佳的力学性能。如果在氧化锆基体中加入磁性颗粒分散相，将会在兼顾其优异力学性能的同时，增加其功能方面的性质，扩宽其应用领域，实现结构—功能一体化。

镍金属/氧化锆复合陶瓷是以磁性金属镍作为第二相，分散在氧化锆基体当中。当镍金属分散于立方氧化锆当中，可以应用于燃料电池的阳极材料。这是因为立方氧化锆是良好的离子导体，镍是良好的电子导体，该阳极材料可以通过还原氧化镍/氧化锆复合陶瓷的方法制备而获得足够的气孔率，有利于载流子传导。当镍金属分散于四方氧化锆当中，由于镍和氧化锆的热膨胀系数失配度很小，导致复合体系的残余应力很小，这一优点能够保证掺入镍不会严重影响复合陶瓷的力学性能。同时，由于分散的镍金属颗粒具有磁致伸缩效应，当有应力施加于复合陶瓷时，整体的磁性能发生变化，该种效应可以应用于力学传感器的设计。

目前对于镍金属/四方氧化锆复合陶瓷这一体系的研究，已报道的文献中多采用热压烧结的方式【H.Kondo,T.Sekino,Y.-H.Choa,et al.Mechanical and magnetic properties of nickel-dispersed tetragonal zirconia nanocomposites[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2002,2[5],485-490；李鹏，周万城，李玉琴等.Ni/ZrO₂复合材料力学及介电性能研究[J].稀有金属材料与工程,2008,37[11],1934-1937】，也有文献报道用含有氢气的混合气体【S.Lopez-Esteban,T.Rodriguez-Suarez,F.Esteban-Betegón,et al.Mechanical properties and interfaces of zirconia/nickel in micro-and nanocomposites[J].Journal of materials science,2006,41,5194–5199】以及纯氢气高温烧结的方法【H.Kondo,T.Sekino,N.Tanaka,et al.Mechanical and magnetic properties of novel yttria-stabilized tetragonal zirconia/ni nanocomposite prepared by the modified internal reduction method[J].Journal of the American Ceramic Society,2005,88[6],1468-1473】。但是热压烧结的设备成本较高，不适合大批量生产，同时高温使用氢气的安全性问题不容忽视。

本发明在总结了以上相关文献报道的方法之后，进行了改进，将镍磁性相进行钴掺杂，形成镍钴合金，通过低温氢气还原方法制成镍钴合金与氧化锆的混合粉体，之后将素坯在惰性气氛下烧结出复合陶瓷，此方法较为安全，并且可以推广至大规模生产。

发明内容

本发明的目的，是在现有技术的基础上，以钇稳定的四方多晶氧化锆为基体，通过添加一定含量的镍钴合金磁性相，采用还原制粉以及惰性烧结的两步方法，获得具有优异的力学和磁学性能的复合陶瓷。通过调整钴在合金中的含量来改善合金的磁学性能，同时，通过调整合金在氧化锆基体中的添加量来改善材料的力学性能，最后获得兼具优异力学和磁学性能的复合材料。

本发明通过如下技术方案予以实现。