高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法

高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其 制备方法。

背景技术

氧化锆是陶瓷材料中应用比较广泛的一种，它有3种结构不同的相，即单斜相、四 方相和立方相，不同的相含量可以对氧化锆陶瓷材料的性能产生较大的影响。目前，常见的 多为钇稳定的氧化锆材料。其中以3Y-TZP（Teragonal zirconia polycrystals stabilized，3摩尔分数Y2O3）材料的力学性能最佳，它也是目前最常用的一类氧化锆陶瓷 材料，在不同的行业有着广阔的应用前景，如化工、机械等。

中国专利201110450949.8提供了一种柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维及其制备方法。 组成陶瓷纤维的氧化锆颗粒粒径为10-400nm，陶瓷纤维直径为0.5-3μm，纤维均匀且连续， 不易断裂，有很好的柔韧性。采用溶胶-凝胶法与静电纺丝技术结合制备氧化锆凝胶纤维， 将凝胶纤维煅烧后得到钇稳定氧化锆陶瓷纤维。所得钇稳定氧化锆陶瓷纤维的热稳定性 好、力学性质优异，可作为高温催化剂载体及高温隔热材料，还可用作电池隔膜以及高温过 滤等。

中国专利201310125398.7提供了一种牙用氧化钇稳定的四方相氧化锆陶瓷3Y- TZP的制备方法，工艺步骤为：（1）分别配制3Y-TZP悬浮液和铝盐水溶液，将所述铝盐水溶液 滴加到所述3Y-TZP悬浮液中，形成混合均匀的3Y-TZP粉体-铝盐混合液，所述混合液中，Al³⁺ 浓度控制在0.01mol/L~0.23mol/L，3Y-TZP粉体的含量控制10wt%～20wt%；（2）在步骤（1）制 备的3Y-TZP粉体-铝盐混合液中加入尿素，并在70℃～85℃保温2h～3h，得到氢氧化铝包覆 的3Y-TZP粉体的浆料，将所述浆料过滤，并将过滤所得固态物质用纯净水洗涤去除杂质，干 燥与煅烧，粉碎，即得到表面包覆Al₂O₃的3Y-TZP粉体；（3）将表面包覆Al₂O₃的3Y-TZP粉体成 型与烧结，得到牙用氧化钇稳定的四方相氧化锆陶瓷3Y-TZP。

中国专利200410025548.8提供了一种氧化钕和氧化钇共稳定的四方氧化锆多晶 （Nd，Y）-TZP陶瓷及制备方法，其特征在于：同时使用氧化钕和氧化钇两种氧化物作为稳定 剂，采用包裹技术制备两种稳定剂共同包裹的纳米氧化锆粉体，合成的粉体在空气中无压 烧结，获得具有优良的力学性能的四方氧化锆多晶陶瓷。采用的原料是质量百分比不小于 99.9的六水合硝酸钕Nd(NO₃)₃·6H₂O、六水合硝酸钇Y(NO₃)₃·6H₂O和平均晶粒尺寸小于100 纳米的单斜氧化锆粉，最终获得的TZP陶瓷中氧化钕摩尔百分比在1.0-2.0范围内，氧化钇 摩尔百分比在1.0-1.5范围内。

中国专利200710165634.2提供了一种用氧化钇作为稳定剂的四方多晶氧化锆陶 瓷（Y-TZP陶瓷）的低温烧结制备方法，其主要特点是，包括前驱体溶胶的制备和细晶陶瓷的 制备二步骤：以含 Mg、Al离子的可溶性盐和Si(OC₂H₅)₄为原料，其中MgO∶Al₂O₃∶SiO₂的摩尔 比为(0.3-0.8)∶ (2.3-6)∶(1-3.5)制成前驱体溶胶；氧化钇稳定的氧化锆纳米超细粉末按 固液质量比为(75-85)∶(25-15)加水配成浆料，加入3-8wt％的前驱体溶胶，均匀混合球磨， 然后造粒、成型，在1320-1420℃烧结1-3小时，获得纳米晶粒Y-TZP陶瓷。

目前现有技术均采用常规烧结的方法生产，产品的晶粒粗大，强度低，难以用于高 要求的精密陶瓷行业。

发明内容

为了解决现有技术无法满足高强精密陶瓷生产用途，本发明提供了一种全新的高 纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法。本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供 高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法，采用纳米级钇稳定氧化锆粉通过离心喷雾造 粒的方法进行造粒，通过冷等静压压制成型，最后通过热等静压烧结的方法制成，本发明具 有高纯高致密的优点，本发明不仅工艺和设备简单，成本低，收率高，能耗低，生产效率高， 适合工业化生产，而且能够获得质量稳定、晶粒细小可控的钇稳定氧化锆陶瓷，本发明过程 无坏境污染，是一种新型的低成本、质量稳定的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的制备方法。

本发明所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷相对密度为99%~100%，主元素纯度为 99.9%~99.999%，抗弯强度为1000~1600MPa，晶粒尺寸为0.5~20微米，维氏硬度为HV1200~ 2000。

优选地，所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的相对密度为99.5%~100%。

优选地，所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的主元素纯度为99.99%~99.999%。

优选地，所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的抗弯强度为1200~1600MPa。

优选地，所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的晶粒尺寸为1~5微米。

优选地，所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的维氏硬度为HV1200~1800。

本发明所述的高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷的主元素为氧化锆、氧化钇两种，所 述的主元素纯度为两种主元素重量与总重量的重量百分比。

为了达到上述使用要求，本发明使用的技术方案为高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷 的制备方法，所述方法的具体步骤如下。

（1）选取高纯纳米级及特定配比的钇稳定氧化锆粉体。

（2）在步骤（1）中粉体放入粘结剂、分散剂与去离子水，用高能球磨机进行球磨，获 得钇稳定氧化锆粉体浆料。

（3）将步骤（2）中获得钇稳定氧化锆粉体浆料放入离心喷雾造粒机中进行造粒处 理。

（4）将步骤（3）中获得的造粒粉放入冷等静压胶套中进行冷等静压处理。

（5）将步骤（4）中获得冷等静压坯料放入钢包套中，制成热等静压用包套，包套拥 有多个脱气预留孔。

（6）将步骤（5）中获得的热等静压包套进行脱脂脱气处理。

（7）将步骤（6）中获得的脱气后的包套放入热等静压机中进行热等静压烧结处理。

（8）将步骤（7）中热等静压烧结完毕的陶瓷锭取出，并去除包套，即得高纯高致密 钇稳定氧化锆陶瓷。

（9）测量步骤（8）中钇稳定氧化锆陶瓷的密度、纯度、晶粒尺寸、抗弯强度及硬度。

本发明为高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法，为了让本发明有效，需要 对上述步骤进行细化，具体细化参数如下。

步骤（1）中，选用的钇稳定氧化锆粉中氧化钇的摩尔百分比为3~10%。

步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的一次粒径为1~100纳米。

步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的纯度为99.9~99.999%。

优选地，步骤（1）中，选用的钇稳定氧化锆粉中氧化钇的摩尔百分比为3~5%。

优选地，步骤（1）中，选用的钇稳定氧化锆粉一次粒径为10~40纳米。

步骤（2）中，选用的粘结剂包含聚乙烯醇、聚氯乙烯中的至少一种。

步骤（2）中，选用的分散剂为乙醇、正丁醇、聚乙二醇中的至少一种。

步骤（2）中，所述的混合浆料球磨时间为2~12小时。

步骤（2）中，所述的高能球磨机所用的球磨球为钇稳定氧化锆球。

优选地，步骤（2）中，选用的粘结剂为聚乙烯醇。

优选地，步骤（2）中，选用的分散剂为聚乙二醇。

优选地，步骤（2）中，所述的混合浆料球磨时间为4~8小时。

步骤（3）中，所述的造粒粉粒径为D50为50~200微米。

步骤（4）中，所述的冷等静压胶套材料为聚氨酯、黑橡胶中的一种。

步骤（4）中，所述的冷等静压处理压力为200~500MPa，保压时间为5~30分钟。

优选地，步骤（4）中，选用的冷等静压胶套材料为聚氨酯。

优选地，步骤（4）中，选用的冷等静压处理压力为300~400MPa，保压时间为10~15分 钟。

步骤（5）中，所述的热等静压包套采用氩弧焊进行焊接。

步骤（5）中，所述的热等静压包套脱气预留孔数量为1~50个。

步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第一阶段脱气处理，第二阶段脱脂 处理及第三阶段脱气处理。

步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第一阶段脱气处理参数为温度100 ~300度，处理时间2~24小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-2~5.0×10-2Pa。

步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第二阶段脱脂处理参数为温度400 ~1000度，处理时间2~48小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-2~5.0×10-2Pa。

步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第三阶段脱气处理参数为温度100 ~300度，处理时间2~24小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-3~5.0×10-3Pa。

优选地，步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第一阶段脱气处理参数为 温度200~300度，处理时间12~24小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-2~5.0×10-2Pa。

优选地，步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第二阶段脱脂处理参数为 温度400~800度，处理时间12~24小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-2~5.0×10-2Pa。

优选地，步骤（6）中，所述的热等静压包套脱脂脱气包括第三阶段脱气处理参数为 温度200~300度，处理时间12~24小时，脱气保持包套内压力为1.0×10-3~5.0×10-3Pa。

步骤（7）中，所述的热等静压烧结工艺为烧结压力100~170MPa，烧结温度为1000~ 1400℃，温度均匀化时间为0.5~2小时，烧结时间为2~10小时。

优选地，步骤（7）中，所述的热等静压烧结工艺为烧结压力140~170MPa，烧结温度 为1100~1300℃，温度均匀化时间为1~2小时，烧结时间为2~4小时。

步骤（9）中，所述的密度测量仪器为阿基米德排水法固体密度检测仪。

步骤（9）中，所述的纯度检测仪器为电感耦合等离子体原子发射光谱仪。

步骤（9）中，所述的晶粒尺寸测量仪器为扫描电子显微镜。

步骤（9）中，所述的抗弯强度测量仪器为三点弯曲测量试验机。

步骤（9）中，所述的硬度测量仪器为维氏硬度计。

步骤（9）中，所述的钇稳定氧化锆陶瓷的相对密度为99~100%。

步骤（9）中，所述的钇稳定氧化锆陶瓷的纯度为99.9~99.999%。

步骤（9）中，所述的钇稳定氧化锆陶瓷的晶粒尺寸为0.5~20微米。

步骤（9）中，所述的钇稳定氧化锆陶瓷的抗弯强度为1200~1600MPa。

步骤（9）中，所述的钇稳定氧化锆陶瓷的硬度为HV1200~2000。

本发明的目的是提供一种高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法，生产的二 氧化锆陶瓷具有高纯度、高致密的特点。

本发明为一种高纯高致密钇稳定氧化锆陶瓷及其制备方法，与现有技术相比，具 有如下有益效果。

（1）通过多阶段的脱气工艺，钇稳定氧化锆陶瓷的气体杂质含量更低。

（2）通过多气孔的设置，钇稳定氧化锆陶瓷内部脱气更加均匀。

（3）通过改进的热等静压工艺，钇稳定氧化锆陶瓷的密度更高。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1。

（1）选择原料，钇稳定氧化锆粉体的纯度为99.99%，氧化钇的摩尔百分比为3%，一 次粒径为17纳米，然后再将粉体放入离心雾化造粒机中造成为D50为121微米。

（2）将造粒好的原料粉体装入胶皮套中进行冷等静压处理，冷等静压处理压力为 360MPa，保压时间为10分钟。

（3）将压制好的坯料装入钢包套中，钢包套预留16个气孔。

（4）将钢包套进行一阶段脱气温度为200℃，脱气时间为12小时，包套内的压力为 1.0×10^-2Pa；二阶段脱脂温度为600℃，脱脂时间为24小时，包套内的压力为1.0×10^-2Pa； 三阶段脱气温度为200℃，脱气时间为12小时，包套内的压力为1.0×10^-3Pa，然后将所有气 孔封死。

（5）将制造好的包套置于热等静压机内进行热等静压烧结，热等静压烧结参数，温 度1250度，烧结压力为170MPa，温度均匀化时间为1小时，烧结时间为4小时。

（6）将包套去除，将陶瓷锭切成指定钇稳定氧化锆陶瓷形状。

（7）测量钇稳定氧化锆陶瓷的相对密度为99.8%、纯度为99.9912%、晶粒尺寸为1.1 微米、硬度为HV1371，抗弯强度为1489MPa。

实施例2。

（1）选择原料，钇稳定氧化锆粉体的纯度为99.995%，氧化钇的摩尔百分比为5%，一 次粒径为35纳米，然后再将粉体放入离心雾化造粒机中造成为D50为142微米。

（2）将造粒好的原料粉体装入胶皮套中进行冷等静压处理，冷等静压处理压力为 380MPa，保压时间为12分钟。

（3）将压制好的坯料装入钢包套中，钢包套预留24个气孔。

（4）将钢包套进行一阶段脱气温度为240℃，脱气时间为18小时，包套内的压力为 1.0×10^-2Pa；二阶段脱脂温度为650℃，脱脂时间为28小时，包套内的压力为1.0×10^-2Pa； 三阶段脱气温度为220℃，脱气时间为16小时，包套内的压力为1.0×10^-3Pa，然后将所有气 孔封死。

（5）将制造好的包套置于热等静压机内进行热等静压烧结，热等静压烧结参数,温 度1300度，烧结压力为157MPa，温度均匀化时间为1小时，烧结时间为5小时。

（6）将包套去除，将陶瓷锭切成指定钇稳定氧化锆陶瓷形状。

（7）测量钇稳定氧化锆陶瓷的相对密度为99.6%、纯度为99.9949%、晶粒尺寸为1.8 微米、硬度为HV1328，抗弯强度为1356MPa。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。