专利名称：一种轻质、高强、高韧性陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及无机非金属陶瓷领域，特别涉及一种制备轻质、高强、高韧性陶瓷的新方法。
背景技术：
由于陶瓷材料的分子排列和化学键性质，决定了陶瓷材料中的晶粒位错密度低、 滑移系统少、裂纹的成核和生长的能量小，从而决定了陶瓷材料的脆性本质。脆性和低可靠性严重限制了陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正得到广泛应用，因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究白勺^^ ； ^^ ο增韧的本质就是要在材料中引进吸收断裂能量的机制，降低裂纹扩展的动力，增加裂纹扩展的阻力。目前所采用的增韧手段均是设法增加断裂过程中消耗的能量，同时增加断裂面的粗糙度。已有很多增韧方法，如长纤维增韧、晶须增韧、颗粒弥散强化与增韧、相变增韧等，有时将几种增韧机制组合起来，产生协同增韧效果。基于各种加入不同增韧体的复合陶瓷材料的研究，提出的强韧化机理有纤维(或晶须)桥联、纤维(或晶须)拔出、裂纹偏转、颗粒钉扎、延性颗粒的塑性变形、微裂纹增韧、相变增韧、协同增韧等。陶瓷增韧技术虽然众多，但是各种增韧手段及方法在制备工艺和增韧效果上又各有特点。颗粒弥散增韧操作比较简单，但增韧效果不显著；纳米级颗粒引入陶瓷基体中能取得了很好的增强增韧效果，但制备纳米粉体在烧结的过程中迅速长大，难以制备出真正的纳米晶陶瓷成品；相变增韧在室温下具有很好的效果，但是在高温(ΙΟΟΟ 以上)条件下增韧失效；陶瓷纤维(或晶须)补强增韧陶瓷基复合材料在室温和高温下都具有优良的力学性能，晶须作为增韧相的制备工艺更加简单，纤维、晶须增韧的缺点就是混合均勻性很难保证，并且晶须对人身体有害，应用受到限制。近年来，人们受生物界生物材料结构与性能关系得启发，进行陶瓷材料的仿生结构设计，如仿造竹木结构制成Si3N4/BN纤维独石结构陶瓷材料，仿造贝壳珍珠层结构制成Si3N4/BN层状结构陶瓷材料等，也有一定的增韧效果，但其缺点主要是平行和垂直于夹层方向的性质差别较大，呈各向异性。同时这种层状和纤维独石结构陶瓷的韧性提高是以牺牲强度为代价，也就是说，虽然韧性得到较大的改善，但是强度却降低了。空心陶瓷微珠是一种尺寸微小的空心无机非金属材料球体，粒径范围在 0.01-1. 0mm，具有质轻、低导热、隔音、高强、耐磨、高分散、电绝缘性和良好的热稳定性、制备成本低等优点，可作为一种新型轻质材料满足石油固井、汽车底盘抗震、船身甲板、树脂等有机物的填料、乳化炸药、高档防火涂料、保温耐火材料，建筑物夹层保温、吸声降噪、建筑外墙的保温节能等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备轻质、高强、高韧性陶瓷的新方法(或手段)，即以陶瓷空心微珠为补强增韧体增韧陶瓷材料。该方法对于各种材料体系的陶瓷粉体具有普适性，可以制备各种材料体系的轻质、高强、高韧性陶瓷，包括氧化物和非氧化物陶瓷粉， 以及含有无机非金属材料的煤矸石、粉煤灰、尾矿、黄土等。本发明的技术方案为一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，包含以下步骤步骤一，将陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，以提高陶瓷空心微珠粉体的强度；步骤二，将上述预烧的陶瓷空心微珠粉体加入到陶瓷粉体中，并加入相关的添加剂；步骤三，选择成型工艺进行陶瓷的成型；步骤四，对坯体进行干燥；步骤五，对干燥的坯体进行烧结。其中，步骤一中所述的陶瓷空心微珠粉体是广义的无机非金属空心微珠粉体，包括氧化物和非氧化物空心微珠粉体，以及含有无机非金属材料的煤矸石、粉煤灰、尾矿、黄土粉体的空心微珠粉体，其加入量为陶瓷粉体质量的-80%。步骤一中陶瓷空心微珠粉体的预烧烧结制度可根据粉体的本身特性进行选择，烧结温度为800°C -1800°C，保温时间为0. 5h-2h。步骤二中的添加剂是指在成型和烧结过程中需要的分散剂和/或增塑剂和/或助烧剂，其中分散剂的种类和含量根据陶瓷浆料的流变性进行确定，分散剂加入量为陶瓷粉体质量的0. 1% _2%，增塑剂的用于干压成型、注射成型、挤出成型的成型方法，助烧剂的种类和含量根据陶瓷材料的本身特性和烧结制度进行确定。步骤三中的成型工艺包括干压法、凝胶注模成型、直接凝固成型、挤出成型、注射成型或静压成型。步骤四中的干燥包括室温阴干和50°C -60°C烘干。步骤五所述的烧结是指将制备的陶瓷坯体装入匣钵中在烧结炉里烧结或者直接装入回转窑内烧结，烧结制度可根据陶瓷材料的本身特性进行选择，烧结温度为 8000C -1800°C，保温时间为 0. 5h-2h。陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，烧结气氛为空气或氮气。一种轻质、高强、高韧性陶瓷该陶瓷为含有空心微珠的结构均勻的陶瓷块体。其中，空心微珠与陶瓷块体的材料体系在组成包含含有Al2O3空心微珠的Al2O3 陶瓷，含有^o2空心微珠的^O2陶瓷，含有^O2空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Al2O3空心微珠的^O2陶瓷，含有Al2O3空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Si3N4空心微珠的Si3N4陶瓷。本发明的有益效果为由于使用的原料是陶瓷空心微珠粉体，质量轻，而且陶瓷空心微珠粉体经过预烧后，强度大大提高，有效地减少了成型过程对粉体空心结构的破坏。陶瓷粉体在陶瓷空心微珠之间形成类似于晶间结合相的结构，结合力高，同时陶瓷空心微珠作为刚性颗粒通过颗粒钉扎、裂纹偏转、弥散强化等机理使得陶瓷材料的强度得以提高。此外，陶瓷空心微珠使得裂纹反复偏折，扩展路径延长，并通过裂纹偏转、颗粒钉扎增加断裂过程中消耗的能量，使得陶瓷材料的韧性得到大幅提高。此工艺样品密度低，强度高，韧性高，制备工艺简捷、灵活，操作控制方便，适用面广，易于成型，易于生产复杂形状部件，生产效率高。
图1为空心微珠增韧陶瓷材料的示意图。
具体实施例方式图1为空心微珠增韧陶瓷材料的示意图。为了保证陶瓷材料足够高的强度，陶瓷晶粒之间结合力强，裂纹的扩展方式为穿晶断裂，从而保证了材料有较高的强度。当裂纹扩展至空心球时，能量得到释放，并且裂纹同时进一步偏转，当经过多个空心球时，裂纹扩展的能量得到充分耗散，从而裂纹中止，起到增加材料韧性的作用。本发明一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，包含以下步骤步骤一，将陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，以提高陶瓷空心微珠粉体的强度；步骤二，将上述预烧的陶瓷空心微珠粉体加入到陶瓷粉体中，并加入相关的添加剂；步骤三，选择成型工艺进行陶瓷的成型；步骤四，对坯体进行干燥；步骤五，对干燥的坯体进行烧结。陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，烧结气氛为空气或氮气，不同的粉体体系选择不同的烧结气氛，例如对于氮化硅空心微珠在氮气气氛下预烧结，对于氧化铝、氧化锆等其它氧化物陶瓷可在空气气氛下预烧结。其中，步骤一中所述的陶瓷空心微珠粉体可以是广义的无机非金属空心微珠粉体，包括氧化物和非氧化物空心微珠粉体，以及含有无机非金属材料的煤矸石、粉煤灰、尾矿、黄土粉体的空心微珠粉体，其加入量为陶瓷粉体质量的_80%。其中，步骤一中陶瓷空心微珠粉体的预烧烧结制度可根据粉体的本身特性进行选择，烧结温度为800°C -1800°C，保温时间为0. 5h-2h0其中，步骤二中的添加剂是指在成型和烧结过程中需要的分散剂、增塑剂、助烧剂，其中分散剂的种类和含量根据陶瓷浆料的流变性进行确定，分散剂加入量为陶瓷粉体质量的0. 1% _2%，增塑剂的用于干压成型、注射成型、挤出成型的成型方法，助烧剂的种类和含量根据陶瓷材料的本身特性和烧结制度进行确定。这里需要说明的是，其中分散剂主要用于凝胶注模成型工艺等胶态成型工艺，本发明并不依赖特定分散剂的选择，只要分散剂可以使得陶瓷粉体在浆料中适当分散即可。 一些可以使用的分散剂的例子是聚丙烯酸铵、四甲基氢氧化铵、柠檬酸铵、聚甲基丙烯酸铵盐、四甲基乙二胺、六偏磷酸钠等。为了取得更好的分散效果，可以针对不同的粉体选择相应的分散剂，如氧化锆粉体选择柠檬酸铵、氮化硅粉体选择四甲基氢氧化铵等。分散剂加入量一般为陶瓷粉体质量的0. 1%-2%。而增塑剂主要用于干压成型、注射成型、挤出成型等成型方法，其的种类和含量根据成型工艺进行确定；助烧剂按照现有常用配方，其种类和含量根据陶瓷材料的本身特性和烧结制度进行确定。以上添加剂的选择和含量都为本领域的技术人员所熟知。其中，步骤三中的成型工艺包括干压法、凝胶注模成型、直接凝固成型、挤出成型、注射成型或静压成型。其中，步骤四中的干燥包括室温阴干和50°C -60°C烘干。
其中，步骤五所述的烧结是指将制备的陶瓷坯体装入匣钵中在烧结炉里烧结或者直接装入回转窑内烧结，烧结制度可根据陶瓷材料的本身特性进行选择，烧结温度为 8000C -1800°C，保温时间为 0. 5h-2h。其中，该陶瓷可以选用含有空心微珠的结构均勻的陶瓷块体。空心微珠与陶瓷块体的材料体系在组成上灵活可调，包含含有Al2O3空心微珠的 Al2O3陶瓷，含有^O2空心微珠的^O2陶瓷，含有^O2空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Al2O3空心微珠的ZrO2陶瓷，含有Al2O3空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Si3N4空心微珠的Si3N4陶瓷。实施例1 轻质、高强、高韧性的氮化硅陶瓷材料的制备首先将氮化硅空心微珠粉体进行预烧，烧结制度为以速率为10°C /min升温，烧结温度为1600°C，在氮气气氛下烧结，在1600°C时的保温时间是0. 5小时。将单体丙烯酰胺与交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺溶于水，单体浓度为14.5%，交联剂浓度为0.5%，形成单体预混液，在单体预混液80mL中加入氮化硅粉体107. lg，加入氮化硅粉体含量2. 5%的助烧剂氧化铝粉2. 99g及氮化硅粉体含量7. 5%的氧化钇粉体8. 86g，分散剂碱水剂1. 19g， 氮化硅空心微珠粉体11. 9g，搅拌得到陶瓷浆料，在上述浆料中加入体积分数为0. 5%的催化剂N，N，N’，N’_四甲基乙二胺，然后搅拌均勻，再加入体积分数为2%的引发剂过硫酸铵， 搅拌均勻后立刻注入模具，待浆料呈凝胶状后脱模得到湿坯。将湿坯进行室温干燥或烘箱干燥，然后按下述烧结制度进行烧结得到氮化硅陶瓷以速率为10°C /min升温，烧结温度为1750°C，在氮气气氛下烧结，在1750°C时的保温时间是1小时。对烧结体的体积密度、强度、断裂韧性等性能进行测试。结果表明制得的氮化硅陶瓷，体积密度为3，抗弯强度达到 500MPa,断裂韧性为 9MPa · m1/2.实施例2 轻质、高强、高韧性的氮化硅陶瓷材料的制备在氮化硅粉体107. Ig中加入氮化硅空心微珠粉体11. 9g、助烧剂氧化铝粉2. 99g 及氧化钇粉体8. 86g，加入酒精和磨球湿磨Mh，干燥过筛后，加入5%石蜡作为成型剂，在钢模中压制成长条试样，压力为120Mpa，脱蜡后烧结。对烧结体的体积密度、强度、断裂韧性等性能进行测试。结果表明制得的氮化硅陶瓷，体积密度为3. 2，抗弯强度达到550MPa，断裂韧性为9MPa · m"2。实施例3 轻质、高强、高韧性的氧化铝陶瓷材料的制备将单体丙烯酰胺与交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺溶于水，单体浓度为14. 5%, 交联剂浓度为0. 5 %，形成单体预混液，在单体预混液SOmL中加入氧化铝粉体体积分数为 320g，加入氧化铝粉体含量2. 5 %的助烧剂氧化镁粉8g和氧化铝粉体含量2. 5 %的助烧剂二氧化硅粉8g，分散剂柠檬酸铵lg，氧化铝空心微珠粉体16g，搅拌得到陶瓷浆料，在上述浆料中加入体积分数为0. 5%的催化剂N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，然后搅拌均勻，再加入体积分数为2%的引发剂过硫酸铵，搅拌均勻后立刻注入模具，待浆料呈凝胶状后脱模得到湿坯。将湿坯进行室温干燥或烘箱干燥，然后按下述烧结制度进行烧结得到氮化硅陶瓷以速率为10°C /min升温，在1560°C保温1小时。对烧结体的体积密度、强度、断裂韧性等性能进行测试。结果表明制得的氧化铝陶瓷，体积密度为3. 3，抗弯强度达到380MPa，断裂韧性为 5. IMPa · m1/2.实施例4 轻质、高强、高韧性的氧化铝陶瓷材料的制备在氧化铝粉体IOOg中加入5%的40-80 μ m的氧化铝空心微珠10g、助烧剂氧化镁粉2. 5g及氧化硅粉体2. 5g，加入酒精和磨球湿磨Mh，干燥过筛后，加入5%石蜡作为成型剂，在钢模中压制成长条试样，压力为120Mpa，脱蜡后烧结。对烧结体的体积密度、强度、断裂韧性等性能进行测试。结果表明制得的氧化氧化铝瓷，体积密度为3.0，抗弯强度达到 399MPa,断裂韧性为 5. 5MPa · m1/2。
权利要求
1.一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于，包含以下步骤步骤一，将陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，以提高陶瓷空心微珠粉体的强度；步骤二，将上述预烧的陶瓷空心微珠粉体加入到陶瓷粉体中，并加入相关的添加剂；步骤三，选择成型工艺进行陶瓷的成型；步骤四，对坯体进行干燥；步骤五，对干燥的坯体进行烧结。
2.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤一中所述的陶瓷空心微珠粉体是广义的无机非金属空心微珠粉体，包括氧化物和非氧化物空心微珠粉体，以及含有无机非金属材料的煤矸石、粉煤灰、尾矿、黄土粉体的空心微珠粉体，其加入量为陶瓷粉体质量的_80%。
3.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤一中陶瓷空心微珠粉体的预烧烧结制度可根据粉体的本身特性进行选择，烧结温度为 8000C -1800°C，保温时间为 0. 5h-2h。
4.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤二中的添加剂是指在成型和烧结过程中需要的分散剂和/或增塑剂和/或助烧剂，其中分散剂的种类和含量根据陶瓷浆料的流变性进行确定，分散剂加入量为陶瓷粉体质量的 0. 1% -2%，增塑剂用于干压成型、注射成型、挤出成型的成型方法，助烧剂的种类和含量根据陶瓷材料的本身特性和烧结制度进行确定。
5.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤三中的成型工艺包括干压法、凝胶注模成型、直接凝固成型、挤出成型、注射成型或静压成型。
6.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤四中的干燥包括室温阴干和50°C -60°C烘干。
7.根据权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于步骤五所述的烧结是指将制备的陶瓷坯体装入匣钵中在烧结炉里烧结或者直接装入回转窑内烧结，烧结制度可根据陶瓷材料的本身特性进行选择，烧结温度为800°C -1800°C，保温时间为 0. 5h-2h。
8.如权利要求1所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷的制备方法，其特征在于，陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，烧结气氛为空气或氮气。
9.一种轻质、高强、高韧性陶瓷，其特征在于，该陶瓷为含有空心微珠的结构均勻的陶瓷块体。
10.根据权利要求9所述的一种轻质、高强、高韧性陶瓷，其特征在于，空心微珠与陶瓷块体的材料体系在组成包含含有Al2O3空心微珠的Al2O3陶瓷，含有^O2空心微珠的^O2 陶瓷，含有^O2空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Al2O3空心微珠的^O2陶瓷，含有Al2O3空心微珠的Al2O3陶瓷，含有Si3N4空心微珠的Si3N4陶瓷。
全文摘要
本发明提供一种轻质、高强、高韧性陶瓷及其制备方法，包含以下步骤步骤一，将陶瓷空心微珠粉体进行预烧结，以提高陶瓷空心微珠粉体的强度；步骤二，将上述预烧的陶瓷空心微珠粉体加入到陶瓷粉体中，并加入相关的添加剂；步骤三，选择成型工艺进行陶瓷的成型；步骤四，对坯体进行干燥；步骤五，对干燥的坯体进行烧结。本发明给出一种制备轻质、高强、高韧性陶瓷及制备方法，即以陶瓷空心微珠为增韧体增韧陶瓷材料。
文档编号C04B35/626GK102241515SQ20101017239
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者席小庆, 杨金龙, 蔡锴, 黄勇 申请人:河北勇龙邦大新材料有限公司