[发明专利]一种含有片状微晶的α-A12O3陶瓷颗粒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有片状微晶的α-A1₂O₃陶瓷颗粒及其制备方法和应用，属于无机非金属材料领域。

背景技术

氧化铝陶瓷是以α-A1₂O₃为主晶相的陶瓷材料，具有机械强度高、硬度大、熔点高、电阻率高、绝缘性好、热膨胀系数小且耐磨性、耐腐蚀性能好等优点，广泛应用于机械、电子、电力、化工、医学、建筑以及其它的高科技领域(参见：新材料产业2006,12,17)，但是氧化铝陶瓷有弱点，即断裂韧性低。氧化铝微晶陶瓷的晶粒、晶界都是纳米数量级，晶界数量大，因此氧化铝微晶陶瓷不仅具有氧化铝陶瓷的一系列优点，而且具有强度高、韧性好和超塑性等优异性能。因此制备硬度高、韧性好的氧化铝微晶陶瓷受到广泛关注(参见：NanoLett.2007,7,3196)。某些稀土氧化物与二价金属阳离子同氧化铝会在烧结过程中反应生成六方稀土铝酸盐，用化学式表示是LnMAl₁₁O₁₉，式中：Ln是一种镧系稀土离子，如La³⁺、Nd³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺；M是一种两价金属阳离子，如Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Co²⁺，这类六方稀土铝酸盐具有磁铅石型结构。磁铅石型六铝酸盐结构和β-Al₂O₃很相近，都属于空间群P6₃/mmc，是由互成镜像的氧化铝尖晶石结构单元和M离子形成的镜面层交替堆积而成的层状结构，允许各种取代，如La_1-xSr_xMgAl_11-xTi_xO₁₉(参见：J.Am.Ceram.Soc.2013,96,1063)。两者的区别主要在镜面层上：磁铅石型结构中的镜面层由一个M、一个Al和三个O组成，而β-Al₂O₃型结构中的镜面层仅由一个M和一个O组成。磁铅石型六铝酸盐显微结构通常呈片晶状，一般长约0.5～3μm，厚约0.05～0.1μm，片状形貌为六铝酸盐的特征微观结构的宏观反映。经研究发现，这种片晶的引入，使得氧化铝微晶陶瓷颗粒表现出一系列的优异性能，而这种片晶可改善陶瓷颗粒的韧性，纳米片可增强陶瓷纳米颗粒中的晶间结构，使得陶瓷颗粒具有优异的性能。这是因为片状纳米结构可增强晶间结构而引起穿晶断裂，使主要的断裂方式不会延伸到晶界，而进入到基体晶粒。在基体晶粒中，片状纳米结构可使断裂方式偏转，使断裂途径延伸且更加曲折，并且阻碍其它地方的断裂，导致消耗更大的断裂能；因而能增强陶瓷颗粒的强度和韧性(参见：J.Ceram.Soc.Jpn.1990,25,17)。

中国专利文件CN1772695A(申请号：200510112725.0)公开了一种微晶氧化铝陶瓷颗粒的制备方法，其特征在于其制备过程是采用超细氢氧化铝为起始原料，制备出的α-氧化铝，再与氢氧化铝和拟薄水铝石混合研磨，配制成悬浮液，制备成凝胶体干燥、破碎后，在1250～1650℃的温度下烧结，破碎、筛分，制得微晶氧化铝陶瓷颗粒。采用该方法制备的氧化铝陶瓷颗粒相对于白刚玉、棕刚玉等传统氧化铝基磨粒而言，具有硬度高，韧性好，耐磨性好等优点，一次结晶颗粒粒径为200nm～2μm，由这种磨料所制备的磨具的耐用性大大提高。

但是，上述微晶氧化铝陶瓷颗粒的制备方法中主要原材料为超细氢氧化铝和拟薄水铝石两种，其中超细氢氧化铝制备成本较高，需经过特殊的研磨工艺才能得到；此外，还需要首先制备α-氧化铝，这样在整个工艺过程中就存在两个煅烧步骤，而且还需要两次长时间的研磨，工艺步骤繁琐冗长。所制备的微晶氧化铝陶瓷颗粒尺寸可控性差，形貌为类多面体状。

目前，磁铅石型六铝酸盐多采用固相法合成，烧成温度一般在1600℃，也有一些用微浮液方法合成前驱体在1400℃可以烧成，但是制备方法本身存在局限性，很难实现工业化生产。

发明内容