大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备方法

专利名称：大块致密配比精确可控的Y₂Si₂O₇/ZrO₂陶瓷复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及大块致密配比精确可控的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的制备技术，具 体为一种无压烧结制备Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的方法，它是以高纯单相Y2Si207陶瓷粉 末为其中的一种原料提高产物纯度、提高配比精度并促进烧结的方法。
背景技术：
￥^1207是一种熔点为1775t:的新型难熔陶瓷材料，因而可以作为一种新型的高 温结构材料，而且由于其具有低的杨氏模量、低的热膨胀系数及好的抗热腐蚀性能，Y2Si207 也可做为一种优良的抗氧化保护或环障涂层(oxidationresistantor environmental barrier coatings)。同时Y2Si207陶瓷材料还具有很低的热导率(当温度高于300°C时， 热导率小于3. 0W/mK)，是一种理想的热障涂层材料(thermalbarrier coating material) [J. Am. Ceram. Soc. ， 91 [8] ， 2623-2629 (2008)]，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前 景。除此之外，&51207陶瓷材料在力学性能上也很有特点。比如高的损伤容限、低的剪切 变形阻力，因而能被普通的硬质合金刀具加工；另外，Y2Si207陶瓷材料还具有很好的抗磨 擦磨损性能，Y2Si207陶瓷材料是一种优异的可加工陶瓷并可加工为形状复杂的工件，所以 Y2Si207陶瓷材料可以用作形状复杂的磨擦件如喷嘴、阀门和密封件等等。Zr02陶瓷已成功 的广泛应用在结构或功能领域。由于其优异的热学性能，这种陶瓷被成功的用作航空发动 机和涡轮热机的叶片热障保护涂层。 因此，考虑到Y2Si207和Zr02两种材料的优势和一些互补性，Y2Si207/Zr02复合材料
必然是一种前途光明的复合材料。这种复合材料会具有优异的环境容忍性，能抵抗高温、强 氧化、强热腐蚀环境，因此LSi20乂Zi^陶瓷复合材料可以用作热障涂层和环障涂层材料。 而且，由于其良好的高温性能，这种复合材料也是优秀的高温结构材料。并且，由于Y2Si207 和Zr02两种材料的良好的抗磨擦磨损性能，这种复合材料也可以作为抗磨损件材料使用。

发明内容
本发明目的在于提供一种制备大块致密配比精确可控的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材 料的方法，通过以高纯单相Y2Si207陶瓷粉末为其中的一种原料提高产物纯度、提高配比精 度并促进烧结来制备大块致密配比精确可控的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料。
本发明的技术方案是 —种大块致密配比精确可控的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的制备方法，制备过程 由两步组成。先制备Y2Si207陶瓷粉末，以Y203和Si02混合物为原料，其中Y203和Si02的摩 尔比例为l : (1.4 2.5)，混合均匀后在高温空气电炉中进行煅烧，煅烧温度为125(TC 160(TC，煅烧时间为1 5小时，得到高纯单相Y2Si207陶瓷粉末。单相Y2Si207陶瓷粉末与 一定配比的商用Y203稳定Zr02(YSZ)或者单斜Zr02粉末进行混合，采用这种方法能精确控 制复合材料的配比。两种原料粉末的配比可以在0.01%到99.99%的范围内变化，两种原料粉末^231207陶瓷粉末、商用Y203稳定Zi^(YSZ)或者单斜Zr02粉末)的优选体积比例 范围为l : (0.01-100)。再将粉末成型得到生坯进行无压烧结(即常压下烧结)，烧结温 度为1100 160(TC，烧结时间为0. 5 2. 5小时，得到大块致密配比精确可控的Y2Si207/ Zr02陶瓷复合材料。烧结后的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料由单相Y2Si207与7-8mol% Y203 稳定的Zr02组成，无其它杂质相，密度为理论密度的85%以上，在高温保温一定时间后可达 100%。 本发明Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的制备原材料为单相Y2Si207陶瓷粉末和商用 Zr02粉末，粉末粒度为0. 03-50 y m。 混合后的复合粉末经行星式球磨机球磨9 24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛 瑙材质，球磨转速为250 400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸 为0. 03 2微米的超细粉。 所述生坯成型方式为将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15 65MPa，或进行冷等静压成型，成型压力为50 300MPa，得到初始相对密度为45 65%的 生坯。所述无压烧结工艺为，升温速率为2 25°C /min，降温速率为2 50°C /min。所述成型后的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料生坯的烧结方法为生坯在高温空气电
炉或氧气炉中进行无压烧结，得到致密的无其它杂质的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料；所述烧
结气氛为空气或氧气。 本发明的有益效果是 1、本发明通过以Y2Si207为原料，使Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的配比在0_100% 的范围内精确可控，并使￥251207/21<)2陶瓷复合材料的烧结温度降低了达3501:，产物稳定 性显著提高并且促进了烧结。用无压烧结的方法制备出了大块无杂质、化学性能稳定、致密 均匀的Y2Si207/Zr02陶瓷块体复合材料。 2、本发明烧结温度低、保温时间短、所用设备简单、成本低，用Y^iA和Zr(^粉末 在1100°C 160(TC、烧结0. 5 2小时即可得到材料化学成分可控、无其它杂质的￥251207/ Zr02陶瓷块体复合材料。两相在复合材料中的分布均匀。 3、本发明制备的大块致密高纯的￥251207/21<)2陶瓷复合材料中使用单相^51207和 商用Zr02为原料粉末，保持了 Y2Si207和Zr02陶瓷的诸多优点，并且Y2Si207中的微量Y元 素进入Zr02晶格将Zr02稳定为立方相，保持了 Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料在各种恶劣环境 中的化学稳定性，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前景。 4、本发明可以在无压烧结下制备出具有精确配比、高致密度的大块Y^i20/Zi^ 陶瓷复合材料。该材料可以用作高温热障/环障/抗氧化涂层材料的靶材或原料，也可以 作为高温结构材料、抗磨损材料等。


图1为实施例1的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的密度和硬度随着Zr02含量变化而 变化的情况。 图2为实施例2中烧结后部分Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的扫描电镜照片(Zr02 含量分别为20、30、40、50vol% )。
图3为实施例2中烧结后10vol% Zr02含量Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的透射电 镜照片。 图4为实施例3中Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的弹性模量和抗弯强度随Zr02含量 变化而变化的情况。
具体实施方式

实施例1 原材料为Y _Y2Si207陶瓷粉末和单斜Zr02粉末，粉末粒度为5 y m。将Y _Y2Si207陶 瓷粉末和单斜Zi^粉末按比例进行称量，其中单斜Zi^粉末的含量分别为总体积的10X、 20%、30%、40%、50%、70%、80%、100%。按配比称量好后的粉末经行星式球磨机球磨12 小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为300转/分钟，将球磨介质与粉末分 离并干燥得到颗粒尺寸为0. 03 2微米的超细粉。球磨后粉末干燥后在烘箱中ll(TC干 燥36小时。再将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为30MPa，得到初始相对密度为 55%的生坯。 最后，生坯在高温空气电炉中进行无压烧结，烧结气氛为空气，烧结温度为 155(TC，升温速率为l(TC /min，烧结时间为2小时，降温速率为25°C /min，降至室温，得到 大块无杂质、致密均匀的Y2Si207/Zr02陶瓷块体复合材料。烧结后Y2Si207/Zr02陶瓷块体复 合材料无其它杂质相，两相在材料中分布均匀。密度均达到理论密度的97%以上。本实施 例材料的密度和材料的硬度均随着Zr02含量的变化而线形变化。其结果如图1所示。
实施例2 与实施例1不同之处在于 原材料为Y _Y2Si207陶瓷粉末和7mol % Y203稳定Zr02 (7YSZ)粉末，粉末粒度为 5 m。将y _Y2Si207陶瓷粉末和7YSZ粉末按比例进行称量，其中7YSZ粉末的含量分别为总 体积的20%、30%、40%和50%。按配比称量好后的粉末经行星式球磨机球磨12小时，球 磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为300转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥 得到颗粒尺寸为0. 03 2微米的超细粉。球磨后粉末干燥后在烘箱中ll(TC干燥36小时 再将干燥粉末冷等静压得到生坯，成型压力为280MPa，得到初始相对密度为65%的生坯。
生坯在高温空气电炉中150(TC保温1小时无压烧结，升温速率为5°C /min烧结气 氛为空气，降温速率为25°C /min，降至室温，得到大块致密高纯的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材 料，相对密度为98%。致密材料经热腐蚀后的晶粒扫描电镜照片见图2。其中，10vol% Zr02 含量的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料也进行了透射电镜研究见图3，发现Zr02颗粒与Y2Si207
基体之间界限清晰，没有反应层，在复合材料中没有杂质相被观察到。
实施例3 与实施例1不同之处在于 原材料为Y _Y2Si207陶瓷粉末和7mol % Y203稳定Zr02 (7YSZ)粉末，粉末粒度为 5 m。将y _Y2Si207陶瓷粉末和7YSZ粉末按比例进行称量，其中7YSZ粉末的含量分别为总 体积的20%、30%、40%和50%。称量后的粉末经行星式球磨机球磨20小时，球磨罐和球 磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒 尺寸为0. 03 2微米的超细粉。再将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为30MPa，得到初始相对密度为55%的生坯。 在氧气炉中通氧气在155(TC无压烧结1. 5小时，升温速率为l(TC /min，降温速 率为35°C /min，降至室温，得到大块致密高纯的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料，相对密度为 100%。陶瓷材料用金刚石刀片切割后进行力学实验测试。图4列出了 Y^i^/Zr(U甸瓷复 合材料在0-50vol% Zr02含量范围内的杨氏模量和三点弯曲断裂强度随Zr02的变化关系。 随着Zr02含量的增加，Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料的弹性模量和抗弯强度也增加。
综上所述，本发明可以制备大块致密配比精确可控的Y2Si207/Zr02陶瓷复合材料， 试验证明，该材料具有高温热稳定性、精确可控的配比，可调制的力学和热学性能，可以作 为高温结构材料、抗氧化性保护涂层和热障/环障涂层等。
权利要求
一种大块致密配比精确可控的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，制备过程由两步组成(1)先制备Y2Si2O7陶瓷粉末，以Y2O3和SiO2混合物为原料，制备单相Y2Si2O7陶瓷粉末；(2)再在Y2Si2O7陶瓷粉末中加入预定体积份数的氧化锆粉末；上述两种粉末混合后，经球磨混合均匀，再将粉末成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2小时，烧结后得到致密的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料，密度为理论密度的85～100％。
2. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，原料粉末采用纯净的 单相Y2Si207陶瓷粉末和商用Y203稳定Zr02或者单斜Zr02粉末。
3. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述生坯的成型方式 为将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15 65MPa ;或者，将干燥粉末进行冷 等静压成型，成型压力为50 300MPa ;获得的Y2Si207/Zr02生坯，其初始相对密度为45 65%。
4. 按权利要求3所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述成型后的Y2Si207/ Zr02生坯，在高温空气电炉或氧气炉中进行无压烧结，烧结气氛为空气或氧气。
5. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述无压烧结工艺为， 升温速率为2 25°C /min，降温速率为2 50°C /min。
6. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，Y2Si207陶瓷粉末与氧 化锆粉末混合后，经行星式球磨机球磨9 24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球 磨转速为250 400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸为0. 03 2微米的超细粉。
7. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，在制备Y2Si207陶瓷粉 末时，^03和5102的摩尔比例为1 : (1.4 2.5)，混合均匀后在高温空气电炉中进行煅烧， 煅烧温度为1250°C 160(TC，煅烧时间为1 5小时，得到单相Y2Si207陶瓷粉末。
8. 按权利要求1所述的陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，Y2Si207陶瓷粉末与氧 化锆粉末两种原料粉末的优选体积比例范围为1 : (0.01-100)。
全文摘要
本发明涉及Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料的制备技术，具体为一种大块致密配比精确可控的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料的制备方法。该制备过程由两步组成(1)先制备Y2Si2O7陶瓷粉末，以Y2O3和SiO2混合物为原料，制备单相Y2Si2O7陶瓷粉末；(2)再在Y2Si2O7陶瓷粉末中加入预定体积份数的氧化锆粉末；上述两种粉末混合后，经球磨混合均匀，再将粉末成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2小时，烧结后得到致密的Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料，密度为理论密度的85～100％。本发明可以在无压烧结下制备出具有精确配比、高致密度的大块Y2Si2O7/ZrO2陶瓷复合材料。该材料可以用作高温热障/环障/抗氧化涂层材料的靶材或原料，也可以作为高温结构材料、抗磨损材料等，在航空、航天方面有着广泛的应用前景。
文档编号C04B35/16GK101747028SQ20081022912
公开日2010年6月23日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者周延春, 孙子其, 李美栓 申请人:中国科学院金属研究所