一种ZTA陶瓷材料、其制备方法及陶瓷制品与流程

本发明涉及一种陶瓷材料，尤其涉及一种具有高韧性和高强度的陶瓷材料、其制备方法及应用。

背景技术：

zta陶瓷材料为通过氧化锆增韧氧化铝，获得高韧性和高强度，应用领域非常广泛。其机理为在外力刺激下氧化锆发生马氏体相变，从四方相转变为单斜相，通过相变消耗外力；同时相变伴随体积增大，引起微裂纹，通过微裂纹扩散消除应力，提升材料的韧性。即应力诱导相变机理和微裂纹机理。业内又在此基础上，通过添加cr2o3、sic及其它添加剂来改善力学性能，但很难从本质上提高。

急需新的增韧方式从本质上提升zta以及其它陶瓷材料性能。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供一种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，还提供了所述陶瓷材料的制备方法和应用场景。该陶瓷材料通过在zta材料中添加机械发光材料，以应力诱导发光为机理，通过发光的形式消耗部分外力，提升材料的韧性和强度。

所述陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料包括zta基质和掺杂在所述zta基质中的机械发光材料。

可选地，以zta基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中机械发光材料的掺杂量为0.001wt％～30wt％。

可选地，以zta基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中机械发光材料的掺杂量为0.001wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.8wt％、1wt％、1.5wt％、30wt％中的任意值以及任意两个值之间的范围值。

可选地，所述zta基质包括氧化铝和钇稳定的氧化锆；其中，钇占稳定氧化锆总量的摩尔比为1％-5％。

可选地，氧化铝和钇稳定的氧化锆的重量比为80:20、90:10、85:15、70:30中的任意比值及任意两个比值之间的范围值。

可选地，所述机械发光材料选自机械力诱导发光材料中的至少一种。

优选地，所述机械力包括拉力、压力、弯曲力、撞击力、摩擦力、超声波中的至少一种。

可选地，所述机械发光材料选自sral2o4体系、zns体系、ca2al2sio7体系、znga2o4体系、mgga2o4体系、znal2o4体系、zro体系、ca,batio3体系、caznos体系、zno体系中的至少一种。

优选地，所述机械发光材料选自zno纳米颗粒、zns:mn²⁺、sral2o4:eu²⁺、batio3:pr³⁺、caznos:eu²⁺、catio3:pr³⁺、ca2al2sio7:ce³⁺中的至少一种。

可选地，所述陶瓷材料中还包括添加剂；

所述添加剂包括cr2o3、sic、镧系元素、mgo、sio2、co3o4中的至少一种。本领域技术人员根据需要选择添加剂。

优选地，以zta基质中氧化铝和氧化锆的质量和为100wt％计，所述陶瓷材料中添加剂的添加量为0.05wt％～5wt％。

根据本发明的另一方面，提供一种所述陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

将含有zta基质的前驱体和机械发光材料的原料混合，烧结，得到所述陶瓷材料。

可选地，所述含有zta基质的前驱体和机械发光材料的原料的混合方式包括球磨、砂磨、混料、分散中的至少一种。

可选地，所述烧结包括气氛烧结、气压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、热等静压烧结中的至少一种。

作为一种实施方式，按照设定质量比称取al2o3、zro2、mlm、添加剂等。通过高效分散，将上述原料混合均匀，获得混合均匀的浆料。混合方式包括球磨、砂磨、混料、分散等。混合介质可以是无水乙醇或者去离子水，可依据混料情况添加分散剂。

将所获混匀浆料高温烘干、研磨、过筛等，获得zta-mlm陶瓷粉体。

依据产品需求选择陶瓷成型方式，包括干压成型、冷等静压注射成型、凝胶成型、流延成型等业内常用成型方法，以获得陶瓷素坯。

将所获陶瓷素坯，进行高温烧结，烧结方式包括：气氛烧结、气压烧结、热压烧结、放电等离子烧结及热等静压烧结等，以获得所需陶瓷半成品。具体烧结方式依据mlm物化性能选择合适的烧结工艺，如含zns:mn体系的mlm，需在还原气氛中烧结。选择合适的烧结方式以提升zta-mlm陶瓷材料致密度。

将陶瓷半成品进行后续精加工，获得所需高性能产品。

根据本申请的又一方面，提供一种陶瓷制品，所述陶瓷制品由上述任一项所述的陶瓷材料、根据上述任一项所述的方法制备得到的陶瓷材料制成。

可选地，所述陶瓷制品包括高压喷嘴、陶瓷劈刀、人工关节。

本申请中，“zta”，是指氧化锆增韧氧化铝；

“mlm”，是指机械发光材料。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本发明提供了一种通过将外力转换为光能的形式消耗部分应力，以提高陶瓷材料性能，其具有较好的韧性和较高的强度。

2)本发明还提供了该陶瓷材料的制备方法，该方法简便易行，适于工业化生产。

3)本发明提供了该陶瓷材料的应用场景，可用于制作高压喷嘴、陶瓷劈刀、人工关节等，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为zta-mlm陶瓷晶粒示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

本申请中，钇稳定的四方相zro2为从商业购买。

本申请的实施例中分析方法如下：

利用荧光光谱仪(hitachif-7000)和力致发光测试系统进行发光性能分析。力致发光测试系统由施力仪器和光信号收集仪器联用，施力仪器包括摩擦磨损试验机、万能试验机等，光信号收集通过配有ccd照相机的光谱仪(omin-λ300i)原位检测产生的机械发光光谱。

利用万能试验机(5985万能试验机，美国instron)进行力学性能分析。

实施例1

zta-zno陶瓷材料，其中zno纳米颗粒(粒径为20nm)为mlm，在受力情况下其发光波长为560nm左右。制备过程如下：

1、称取al2o380g，3mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的3％)稳定的四方相zro220g，zno0.1g，cr2o30.5g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、使用干压成型，进行200mpa冷等静压，获得陶瓷劈刀素坯；

5、将陶瓷素坯在1550℃下，空气中保温5h，获得陶瓷样品；

6、将该样品在1450℃下，200mpa热等静压，获得高致密陶瓷样品；

7、将该样品在1100℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得陶瓷劈刀半成品；

8、将该半成品进行抛光等精加工，获得陶瓷劈刀产品。

该陶瓷劈刀产品通过zno发光消耗外力大幅度提高使用寿命，在邦定机上正常工作时，键合次数超过300万次，由于掺杂cr2o3，陶瓷呈现紫粉色。

实施例2

zta-zns陶瓷材料，其中zns:mn²⁺为mlm，在受力情况下其发光波长为570nm左右。制备过程如下：

1、称取al2o3140g，1mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的1％)稳定的四方相zro260g，zns:mn²⁺2g，sic2g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:10的配比，在砂磨机中以1800转/分研磨分散2h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、使用高压注射成型，获得高压喷嘴素坯；

5、将陶瓷素坯在氮氢混合气氛(其中氮气和氢气的体积比为95:5)中，1550℃下高温烧结5h，获得陶瓷样品；

6、将该样品在1000℃下退火24h，消除氧空位及残余应力，获得高压喷嘴半成品；

7、将该半成品进行抛光等精加工，获得高压喷嘴产品。

该高压喷嘴产品通过zns:mn²⁺发光消耗外力，在200mpa水压下可工作100h以上，与未掺杂样品相比可提高使用时间20h。

实施例3

zta-sral2o4陶瓷材料，其中sral2o4:eu²⁺为mlm，在受力情况下其发光波长为510nm左右。制备过程如下：

1、称取al2o385g，3mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的3％)稳定的四方相zro215g，sral2o4:eu²⁺30g,la2o35g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，在混料机中以100转/分研磨分散24h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、使用凝胶成型，获得陶瓷素坯；

5、将陶瓷素坯在1500℃下，真空中保温5h，获得陶瓷样品；

6、将该样品在1400℃下，200mpa热等静压，获得高致密陶瓷样品；

7、将该样品在800℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得半成品；

8、将该半成品进行抛光等精加工，获得产品。

该陶瓷产品通过sral2o4:eu²⁺发光消耗外力大幅度提高使用寿命，但因sral2o4:eu²⁺需要光照储能，故在工作时需要紫外光照射以保障持续受力发光。

实施例4

zta-batio3陶瓷材料，其中batio3:pr³⁺为mlm，在受力情况下发红光。制备过程如下：

1、称取al2o385g，2mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的2％)稳定的四方相zro215g，batio3:pr³⁺1g,er2o30.5g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球＝1:1.5:8的配比，在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、配置浆料流体，使用流延成型获得陶瓷背板素坯；

5、将陶瓷素坯先快速升温到1500℃，不保温直接降温到1300℃，保温12h，通过两步法获得细晶陶瓷背板；

6、将样品在1000℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得半成品；

7、将该半成品进行抛光等精加工，获得zta-mlm陶瓷背板。

该陶瓷背板通过batio3:pr³⁺发光消耗外力将断裂韧性从950mpa·m^1/2提升到1026mpa·m^1/2(按照gbt23806-2009中单边预裂纹测试方法进行测试)，由于添加er2o3，陶瓷呈现黄色。

实施例5

zta-caznos陶瓷材料，其中caznos:eu²⁺为mlm，在受力情况下发红光。制备过程如下：

1、称取al2o390g，3mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的3％)稳定的四方相zro210g，caznos:eu²⁺1.5g,co3o42g；

2、将原料:去离子水:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，以0.5％paa为分散剂在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、将陶瓷粉体利用放电等离子烧结，在1400℃下保温10min，获得陶瓷样品；

5、将该样品在1000℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得半成品；

6、将该半成品进行抛光等精加工，获得zta-mlm陶瓷背板。

该陶瓷背板通过caznos:eu²⁺发光消耗外力将断裂韧性从1000提升到1100mpa·m^1/2(按照gbt23806-2009中单边预裂纹测试方法进行测试)，由于添加co3o4，陶瓷呈现蓝黑色。

实施例6

zta-zno、catio3陶瓷材料，其中zno及catio3:pr³⁺为mlm，在受力情况下发橙红色光。制备过程如下：

1、称取al2o380g，5mol％钇(钇的摩尔数为zro2摩尔数的5％)稳定的四方相zro220g，zno0.1g,catio3:pr³⁺0.1g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、使用注射成型获得陶瓷素坯；

5、将陶瓷素坯在1550℃下，空气中保温5h，获得陶瓷样品；

6、将该样品在1450℃下，200mpa热等静压，获得高致密陶瓷样品；

7、将该样品在1100℃下退火10h，消除氧空位及残余应力，获得陶瓷半成品；

8、将该半成品进行抛光等精加工，获得陶瓷产品。

该陶瓷劈刀产品通过zno及catio3:pr³⁺发光消耗外力将韧性提高7％。

实施例7

zta-ca2al2sio7陶瓷材料，其中ca2al2sio7:ce³⁺为mlm，在受力情况下发橙红色光。制备过程如下：

1、称取al2o380g，3mol％钇稳定的四方相zro220g，ca2al2sio7:ce³⁺0.8g；

2、将原料:无水乙醇:氧化锆球质量比＝1:1.5:8的配比，在球磨罐中以300转/分研磨分散12h，获得浆料；

3、将浆料在85℃下烘干10h，研磨并过200目尼龙筛，获得陶瓷粉体；

4、将陶瓷粉体置入直径为20mm的石墨模具，真空条件下热压烧结，在1500℃和20mpa下保温2h，获得陶瓷样品；

5、将该样品在1150℃下退火8h，消除氧空位及残余应力，获得陶瓷半成品；

6、将该半成品进行抛光等精加工，获得陶瓷产品。

该陶瓷劈刀产品通过ca2al2sio7:ce³⁺发光消耗外力将从1000提升到1150mpa·m^1/2(按照gbt23806-2009中单边预裂纹测试方法进行测试)。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。