[发明专利]一种氧化锆复合氧化铝陶瓷烧结体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氧化锆复合氧化铝陶瓷烧结体，包含以下质量百分含量的成分：含锆化合物(以氧化锆形式计算)0.01‑19.0wt％、含钇化合物(以氧化钇形式计算)0.01‑1wt％、含硅化合物(以氧化硅的形式计算)0.16‑4.6wt％、含钙化合物(以氧化钙的形式计算)0.035‑1.0wt％、含镁化合物(以氧化镁的形式计算)0.07‑2.0wt％，余量为氧化铝。本发明的氧化锆复合氧化铝陶瓷烧结体以3Y‑ZrO₂为添加剂，实现相变增韧、微裂纹增韧、内晶型结构强化增韧以及表面强化增韧等多种增韧方式协同作用；以CaCO₃、SiO₂、MgO为烧结助剂，通过液相烧结降低氧化铝陶瓷的烧结温度、加快烧结速率以及促进烧结致密化，采用本发明的氧化锆复合氧化铝陶瓷烧结体制备得到的氧化铝基板具有良好的断裂韧性和弯曲强度。

技术领域

本发明涉及一种氧化锆复合氧化铝(ZTA)陶瓷烧结体及其制备方法和应用，属于氧化铝陶瓷技术领域。

背景技术

ZTA，即Zirconia Toughened Alumina，是一种以阿尔法氧化铝为主晶相，以亚稳态且可相变的四方相氧化锆为增强、增韧相的一种新型复合陶瓷材料。其中，氧化锆作为添加剂加入到氧化铝基体中，在烧结时促进氧化铝的致密化；或者将氧化锆颗粒分散于氧化铝基体中，利用氧化锆从四方相→单斜相(t→m) 的相变过程来提高氧化铝的综合性能。氧化锆对氧化铝陶瓷的增韧机理细化包括相变增韧、微裂纹增韧、内晶型结构强化增韧以及表面强化增韧等。其利用氧化锆的马氏体相变增韧效应，将亚稳态的氧化锆颗粒均匀地分散到氧化铝陶瓷中，不仅可以抑制氧化铝陶瓷烧结时所产生的晶粒异常长大的现象。而且在陶瓷体受到外应力作用时，亚稳态的氧化锆发生四方相到单斜相的马氏体相变，可以吸收外应力能量。ZTA陶瓷的各项性能的比氧化铝的单组份陶瓷更优异，且能够较大改善氧化铝陶瓷的断裂韧性，提高其抗弯强度，同时也增加了氧化锆陶瓷的硬度以及成本上也低于纯氧化锆陶瓷。ZTA陶瓷这一系列优异的性能使得其在航天、航空、发动机耐磨部件以及刀具方面具有十分诱人的前景，也是这些领域的优先选择材料。由此，ZTA复合陶瓷材料成为当代陶瓷领域的研究热点。例如：

专利DE102004012231中报道添加Al₂O₃重量比例91-97.96％，ZrO₂重量比例2-9％，Y₂O₃和/或CaO重量比例0.04-1％时所生产的ZTA复合陶瓷陶瓷层弯曲强度大于500Mpa，导热率大于20W/mK。专利CN201380056024.2报道在α-Al₂O₃陶瓷基体中添加2-15wt％的ZrO₂和0.01-1wt％的Y₂O₃，且管控氧化铝粒径为2-8um时，可增大陶瓷的抗弯强度；专利DE102004012231报道在α-Al₂O₃陶瓷基体中添加2-9wt％的ZrO₂、0.04-1wt％的Y₂O₃以及0.04-1wt％的CaO，能够实现提高陶瓷弯曲强度的目的，从而可以降低金属层与瓷体层的厚度以提升金属-陶瓷-基材的导热效率。罗杰斯专利CN104755445B中报道当含锆化合物 (以氧化锆形式计算)比例为2-15wt％，含钇化合物(以氧化钇形式计算)比例为0.01-1wt％且管控Al₂O₃的平均粒径2-8um时；Al₂O₃晶粒的晶界长度与所有晶界的总长度的比例大于0.6时可制备出大于500Mpa的ZTA复合陶瓷。