本发明属于材料制备工艺技术领域，具体涉及一种热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件及其制备方法。
背景技术：
氧化锆是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损而且具有优良绝缘性能的无机非金属材料，20世纪20年代初即被应用于耐火材料领域，同时氧化锆也是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料之一，目前正广泛地被应用于各个行业中。氮化硼（bn）是一种非氧化物陶瓷材料，其晶体结构与石墨极其相似，常见的有立方晶体（c-bn）和六方晶体（h-bn）两种结构，由于c-bn硬度和模量极高且合成条件要求极为苛刻,同时在高温下h-bn可以转化为c-bn，所以对h-bn的青睐较多。h-bn陶瓷具有耐高温、导热性好、低的热膨胀系数和低的介电常数、较高的电阻率和介电性能、优良的加工性能、与大多数金属不反应、化学稳定性好等优异性能，可以作为高温环境下盛放物品的容器和井下防爆电机的绝缘散热片、高温热电偶的保护套管，雷达天线罩，以及熔炼多种有色金属和稀有金属的坩埚、器皿、输送泵等部件。随着h-bn陶瓷研究的日益加深，鉴于上述h-bn的优越性能，对h-bn陶瓷及其复合陶瓷的研究日益备受关注，目前制备h-bn陶瓷方法主要有以下几种：无压烧结、反应烧结、自蔓延高温合成和热压烧结。氧化锆氮化硼复合陶瓷结合了两者的性能优势，将强度与绝缘性结合，让复合材料拥有更为广阔的应用市场。
中国专利201510028830.x提供了一种致密氮化铝-氮化硼复合材料的制备方法。以氮化铝粉和六方氮化硼粉为原料，不添加烧结助剂，原料按比例配料后置于尼龙罐中，以无水乙醇为介质，采用氧化锆研磨球，用行星式球磨机球磨混合均匀，经干燥过筛后装入表面涂有bn保护涂层的石墨模具中冷压成型，然后在通有氮气的真空热压炉中热压烧结，烧结温度为1830～1900℃，烧结保温时间为1.5-2.5h。本发明工艺简单，可以在无烧结助剂的情况下制备出致密的氮化铝-氮化硼复合材料，该材料力学性能、导热性能及介电性能优异。
中国专利03150584.8提供了一种铝锆碳-氮化硼复合侧封板，其组分为(重量百分比)：刚玉40-70％、锆莫来石15-30％、α-al2o3微粉5-10％、碳素材料3-12％、六方氮化硼5-15％、金属硅粉2-5％、粘结剂5-15％。其制造方法是，先按上述配比将氮化硼粉体与刚玉粉体在乙醇溶液中进行分散浸渍混合处理；混合物再经干燥，得到氮化硼混合粉体；不同粒级的刚玉、锆莫来石、氧化锆、碳素原料和氮化硼混合粉体原料和抗氧化剂按配比搅拌预混合；以酚醛树脂为结合剂，将混合料进行混合造粒，混合料经干燥后模压成型。
中国专利200410023952.1提供了一种陶瓷透波材料及其制备方法，为特种、功能陶瓷材料技术领域，由亚微米高纯氮化硅、氮化硼、氧化锆以及纳米二氧化硅粉体配制而成，配料后将各原料采用超声波和化学分散方法实现均匀混合，采用冷等静压成型方法成型，在氮气气氛压力下高温烧结制成。本发明氮化硅—氮化硼—二氧化硅陶瓷透波材料技术性能指标为：室温抗弯强度σ：99～286mpa，弹性模量e：99～200gpa，介电常数ε：3.4～4.8，透波率80～85％，耐温性大于2500℃，线烧蚀率为0.01～0.05毫米/秒，耐温性、耐烧蚀性好，并且具有良好的力学性能和介电性能，透波率高，能够满足应用要求。
中国专利200410022997.7提供了一种属于机械加工领域的复合锯片，锯片含金属基体、胎体、普通磨料和超硬磨料，金属基体为合金钢或碳素钢，且表面均布8-10mm的散热孔；胎体含氧化铝、氧化锆、石英、碳化钨、二硼化锆、二硅化钼，普通磨料含棕刚玉、碳化硅、绿碳化硅、立方碳化硅、碳化硼；超硬磨料含金刚石、立方氮化硼；制作工艺为：胎体粉末混料-工作层料的配混工艺-焊接层料的配混工艺-冷压成型-热压烧结成型-磨弧-焊接-修整和开刃。
中国专利201310577221.0提供了一种合成金刚石用绝缘元件，包括氧化镁、氧化锆、六方氮化硼和水玻璃，氧化镁和氧化锆的重量比为1:3-3:1，六方氮化硼的重量为氧化镁和氧化锆重量之和的4-6%，水玻璃的重量为氧化镁、氧化锆和六方氮化硼重量之和的10-15%。本发明所述的绝缘元件的强度高，在运输和合成过程中能够承受较大的外力，避免因破损造成的损失；保温效果好，热传导系数低于3.657w·m-1·k-1，能够保持合成过程的温度，提高金刚石很成的质量；采用该绝缘元件合成的金刚石内部点杂质明显减少。该绝缘元件的介电常数大于1016ω/cm，是一种理想的绝缘材料。
中国专利201310675379.1提供了一种远红外陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：s1.称取氧化钡8-13份、氧化铝18-32份、二氧化硅28-41份、氧化镁12-15份、氧化锆8-10份、氧化钛2-3份、氧化锰6-7份、氮化硼2-3份、活性催化剂1-2份，并分别制成粉体；s2.将氧化钡、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化锰、氮化硼粉体混合均匀，加入到有机物的水溶液中，有机物的加入量为混合粉体总量的10-25%；s3.在s2得到的产物中加入粘土混合物并混合均匀，粘土混合物的加入量为步骤s2所得产物总量的20-30%；s4.将s3得到的产物进行脱水处理；s5.将s4中经过脱水处理的产物进行干燥并高温保温煅烧。
现有的专利均没有针对氧化锆及氮化硼两种材料进行结合的制备，并进行细化拓展，使得应用领域也相对狭窄。
技术实现要素：
为了解决现有技术在高端精密设备用高强度陶瓷绝缘件使用中无法满足要求的情况，本发明提供了一种全新的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件及其制备方法。本发明的目的在于克服现有技术的缺点，并提供一种介电常数可调，价格低廉的氧化锆复合绝缘材料，提供高纯钇稳定氧化锆与氮化硼、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁中的至少一种复合的绝缘陶瓷制备方法，采用纳米级钇稳定氧化锆粉与纳米氮化硼粉、纳米氧化铝粉、纳米氧化硅粉、纳米氧化钛粉、纳米氧化镁粉中的至少一种用高能球磨的办法对粉末进行球磨混合，然后将混合粉放入石墨模具中进行热压烧结处理，本发明具有高致密绝缘性好低成本的优点，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、晶粒细小可控的氧化锆复合绝缘陶瓷，本发明过程无坏境污染，是一种新型的低成本、质量稳定的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的制备方法。
本发明所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件相对密度为98%~100%，主元素纯度为99.9%~99.999%，抗弯强度为200~1000mpa，介电常数为1~50，晶粒尺寸为0.5~20微米，维氏硬度为hv2000~10000。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的相对密度为98.5%~99.5%。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的主元素纯度为99.99%~99.999%。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的抗弯强度为400~800mpa。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的介电常数为4~20。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的晶粒尺寸为1~5微米。
优选地，所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的维氏硬度为hv2500~9000。
本发明所述的热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的主元素为氧化锆、氧化钇、氮化硼、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁，所述的主元素纯度为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热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件的制备方法，所述方法的具体步骤如下。
（1）按一定的比例称取纳米级的钇稳定氧化锆粉与纳米氮化硼粉、纳米氧化铝粉、纳米氧化硅粉、纳米氧化钛粉、纳米氧化镁粉中的至少一种，将所有纳米粉放入球磨罐中，用高能球磨机进行高能球磨处理。
（2）将步骤（1）中球磨好的混合粉放入高纯石墨模具中进行热压烧结处理。
（3）将步骤（2）中获得的烧结好的陶瓷取出，加工成为需要的尺寸。
（4）测量步骤（3）中氧化锆复合陶瓷绝缘件的密度、纯度、介电常数、晶粒尺寸、抗弯强度及硬度。
本发明为热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件及其制备方法，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重量百分比为10%~100%，余量为氮化硼、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁中的至少一种。
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%。
步骤（1）中，所述的氮化硼粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氮化硼粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氮化硼粉的重量百分比为1~50%。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的高能球磨处理时间为2~24小时。
步骤（1）中，所述的高能球磨罐中放入氧化锆球磨球。
优选地，步骤（1）中，所述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，所述的钇稳定氧化锆粉的重量百分比为10%~60%，余量为氮化硼、氧化铝、氧化硅中的至少一种。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的一次粒径为10~40纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硼粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硼粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的一次粒径为100~500纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的一次粒径为100~400纳米
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的纯度为99.99%~99.999%
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硼粉的重量百分比为10~30%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉为三氧化二铝粉。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉为二氧化硅粉。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉为二氧化钛粉。
优选地，步骤（1）中，所述的高能球磨处理时间为2~6小时。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具纯度为99.9%~99.999%。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具中需要放入氧化锆陶瓷纸将石墨模具与粉体隔离。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具放入热压炉前需要预压1~10mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理温度为1200~1500度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理时间为0.5~4小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理压力为20~80mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温速率为50~200度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温速率为10~80度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空并充入氩气保护至少三次。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空的目标压力为0.05~0.2atm。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的对热压炉进行抽真空后的充氩气目标压力为0.6~1atm。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段有三个阶段。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标温度为600~800度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升温速率为100~200度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标保温时间为0.5~2小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标压力为1~10mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升压速率为0.05~0.2mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标温度为850~1100度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升温速率为50~100度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标保温时间为0.5~2小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标压力为15~25mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升压速率为0.05~0.2mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标温度为1200~1500度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升温速率为50~100度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标保温时间为0.5~4小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标压力为25~80mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升压速率为0.1~0.5mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段有二个阶段。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的目标温度为800~1000度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的降温速率为10~50度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压目标压力为1~10mpa
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压速率为0.2~1mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的目标温度为20~80度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的降温速率为10~80度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压目标压力为0mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压速率为0.2~1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的高纯石墨模具纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（2）中，所述的高纯石墨模具放入热压炉前需要预压5~10mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理温度为1300~1500度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理时间为1~2小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理压力为25~60mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温速率为50~100度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温速率为10~50度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空并充入氩气保护循环次数为3~4次。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空的目标压力为0.05~0.1atm。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的对热压炉进行抽真空后的充氩气目标压力为0.6~0.8atm。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标温度为700~800度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升温速率为100~150度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标保温时间为0.5~1小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标压力为5~10mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升压速率为0.05~0.1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标温度为950~1050度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升温速率为50~80度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标保温时间为0.5~1小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标压力为20~25mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升压速率为0.05~0.1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标温度为1300~1500度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升温速率为50~80度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标保温时间为1~2小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标压力为25~60mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升压速率为0.2~0.5mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的目标温度为800~900度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的降温速率为20~40度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压目标压力为5~10mpa
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压速率为0.5~1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的目标温度为20~50度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的降温速率为10~40度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压速率为0.5~1mpa/分。
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，所述的介电常数测量仪器为介电常数测量仪。
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，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的相对密度为99~100%。
步骤（9）中，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的纯度为99.9~99.999%。
步骤（9）中，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的介电常数为1~50。
步骤（9）中，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的晶粒尺寸为0.5~20微米。
步骤（9）中，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的抗弯强度为200~1000mpa。
步骤（9）中，所述的氧化锆复合陶瓷绝缘件的硬度为hv2000~20000。
具体实施方式
本发明涉及一种热压烧结氧化锆复合陶瓷绝缘件及其制备方法，具体实施步骤如下。
（1）选用氧化钇摩尔含量为3%的钇稳定氧化锆粉，钇稳定氧化锆粉的纯度为99.995%，钇稳定氧化锆粉的一次粒径为36纳米，钇稳定氧化锆粉的重量百分比为73%，选取氮化硼粉的纯度为99.99%，氮化硼粉的一次粒径为178纳米，氮化硼粉的重量百分比为21%，选取二氧化硅粉的纯度为99.999%，二氧化硅粉的一次粒径为142纳米，二氧化硅粉的重量百分比为3%，选取二氧化钛粉的纯度为99.999%，二氧化钛粉的一次粒径为128纳米，二氧化钛粉的重量百分比为3%，将四种粉体与氧化锆球磨球一起放入球磨罐中进行高能球磨4小时。
（2）将步骤（1）中球磨混合好的混合粉放入纯度为99.999%的石墨模具中，粉体与石墨间用氧化锆陶瓷纸隔开，放入热压炉前预压8mpa，放入热压炉后，抽真空至0.1atm，充入0.8atm的氩气，循环四次，最有一次充入0.6atm的氩气，开始进行第一阶段升温至800度，升温速率为120度/小时，升压速率为0.1mpa/分，目标压力为10mpa，保温保压时间为0.5小时，然后进行第二阶段升温至1000度，升温速率为60度/小时，升压速率为0.1mpa/分，目标压力为20mpa，保温保压时间为0.5小时，然后进行第三阶段升温至1450度，升温速率为50度/小时，升压速率为0.4mpa/分，目标压力为50mpa，保温保压时间为2小时，然后进行第一阶段降温泄压，第一阶段泄压目标温度为900度，降温速率为30度/小时，泄压目标压力为8mpa，泄压速率为1mpa/分，然后进行第二阶段降温泄压，第二阶段降温目标温度为50度，降温速率为40度/小时，泄压速率为1mpa/分。
（3）将步骤（2）中达到出炉温度的氧化锆复合陶瓷绝缘件取出，加工成为圆片。
（4）测量步骤（3）中氧化锆复合陶瓷绝缘件的相对密度为98.7%，纯度为99.9914%，介电常数为5.4，晶粒大小为7.9微米，抗弯强度为361mpa，硬度为hv5290。
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。