一种钇锆复合纳米陶瓷粉体及其制备方法和应用与流程

本技术涉及陶瓷材料，具体涉及一种钇锆复合纳米陶瓷粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、纳米陶瓷是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体，或采用纳米陶瓷粉体烧结而成的一种复合型材料。它显著改善了传统陶瓷的脆性大、加工性能差等缺点，提高了母体材料的室温力学性能，并改善了高温性能。

2、氧化锆陶瓷材料具有良好的耐磨性和抗腐蚀性等特点，是一种物理化学性能优异的无机非金属材料。不仅因其良好的力学性能被应用于刀具、磨具等结构陶瓷器件中，而且还被应用于陶瓷电容器，燃料电池等功能陶瓷领域。

3、然而在航空航天以及部分耐火材料中，对于材料热膨胀系数的要求更高，通常钇锆陶瓷的热膨胀系数能够达到10.3×10-6/℃，虽然高于氧化铝陶瓷，但仍然不能完全满足需要，比如不锈钢的热膨胀系数能够达到18×10-6/℃，当将钇锆陶瓷涂在不锈钢表面时，热膨胀系数的差异容易导致钇锆陶瓷涂层的脱落。此外，钇锆陶瓷粉体达到纳米尺度时，比表面积急剧增大，表面效应会导致粉体自发产生团聚现象，由于粉体的团聚现象，会使个别晶粒异常长大，最终使陶瓷体中存在气孔，无法达到致密化。

技术实现思路

1、本技术旨在至少克服现有技术的缺陷之一，提供一种钇锆复合纳米陶瓷粉体及其制备方法和应用，通过特定原料和制备方法的搭配，使纳米粉体不易团聚，粒径分布更加均匀，同时提高钇锆复合陶瓷的热膨胀系数，便于制备航空航天及耐热陶瓷材料。

2、第一方面，本技术实施例提供一种钇锆复合纳米陶瓷粉体的制备方法，通过以下技术方案实现：

3、一种钇锆复合纳米陶瓷粉体的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将zrocl2·8h2o用水溶解，加入(nh4)2so4，升温至有固体析出，冷却、过滤得到zr(so4)2；将y2o3溶解至盐酸溶液中，得到ycl3溶液；将所述zr(so4)2用水溶解，然后与所述ycl3溶液混合，滴加碱溶液并控制体系最终ph为10-13，加入表面活性剂，过滤、洗涤，得到钇锆复合沉淀；

5、(2)将步骤(1)所述钇锆复合沉淀与纳米二氧化硅、mgo、b2o3混合，熔炼2-5小时，倒入聚乙二醇溶液中水淬，过滤得到钇锆复合陶瓷碎片；

6、(3)将步骤(2)所述钇锆复合陶瓷碎片加入kalsio4、水玻璃和磷酸酯，研磨，烘干，得到钇锆复合纳米陶瓷粉体；

7、其中，步骤(1)所述zr(so4)2、y2o3、碱溶液和表面活性剂的重量比为(70-85):(10-30):(5-15):(0.5-2)；

8、步骤(2)所述钇锆复合沉淀、纳米二氧化硅、mgo和b2o3的重量比为(60-80):(30-40):(1-2):(8-12)；

9、步骤(3)所述钇锆复合陶瓷碎片、kalsio4、水玻璃和磷酸酯的重量比为(60-70):(30-40):(10-20):(1-3)。

10、根据本技术实施例的一种钇锆复合纳米陶瓷粉体的制备方法，至少具有如下有益效果：

11、本技术通过将钇锆复合沉淀与纳米二氧化硅、mgo、b2o3混合熔炼并水淬，纳米二氧化硅、b2o3、mgo搭配可以形成玻璃相，使传质机理由固相扩散转变为液相流动，促进传质，有助于降低烧成温度，抑制晶粒长大，提高致密度，通过将钇锆复合陶瓷相与玻璃相进行熔合，使组分之间混合的更加充分，可以降低烧结温度，同时便于增强钇锆复合陶瓷的热膨胀性能。

12、本技术的制备方法中的表面活性剂、聚乙二醇溶液和磷酸酯的加入能够提高钇锆纳米粉体的表面活性，减少粉体的团聚，粒径分布更加均匀。聚乙二醇分子中的羟基和醚氧基能与沉淀粒子表面形成较强的氢键，并且其氧醚基也易与沉淀粒子表面产生亲和作用，这种相互作用使得聚乙二醇能够较容易地吸附于粒子表面，形成一层高分子膜，包围着沉淀粒子，从而有效阻止粒子间的团聚，因此聚乙二醇能在水溶液中形成胶体粒子，并通过空间位阻效应有效防止粒子的聚集，从而保持分散体系的稳定性；磷酸酯能够吸附在粉体颗粒表面，改变其表面特性，减少颗粒之间的吸引力，从而防止颗粒之间的凝聚和团聚，还可以维持颗粒的分散状态，提高对钇锆复合纳米陶瓷粉体的稳定作用。

13、本技术的kalsio4是由多面体配位构成的复杂结晶体，具有高热膨胀性，通过与钇锆复合陶瓷搭配，可以提高钇锆复合陶瓷的热膨胀系数。

14、本技术中的mgo溶解于zro2中，提高了控制扩散过程的离子缺陷浓度，从而促进烧结致密化；同时mgo的加入又可以提高气孔的迁移率，使气孔在晶粒长大之前逸出，有利于钇锆复合陶瓷的致密化。

15、本技术的水玻璃作为粘合剂，通过水分蒸发自身聚合形成硅氧网络，将钇锆复合陶瓷粉体有效粘结在一起，从而产生较高的强度，同时水玻璃和不锈钢的润湿性很好，可以在不锈钢表面铺展，将不锈钢和涂层材料紧紧的粘结在一起，经过高温热处理后，形成玻璃相和二硅酸钠晶体，玻璃相可浸润各个钇锆复合陶瓷粉体颗粒表面，并在颗粒之间形成玻璃相的粘结层，同时玻璃相可溶解不锈钢表面的氧化层，形成含有很高铁离子的过渡层，保证了界面在电子结构和原子结构上的连续性，使钇锆复合纳米陶瓷与不锈钢表面形成复杂的化学键合，从而使钇锆复合纳米陶瓷涂层的粘附强度得到更大的提高，二硅酸钠结晶以针状出现，穿插于各钇锆复合陶瓷粉体颗粒之间，起到短纤维增强作用。

16、根据本技术的一些实施方式，步骤(1)所述表面活性剂选自乙醇、异丙醇、丙三醇、柠檬酸中的一种。

17、根据本技术的一些实施方式，步骤(1)所述碱溶液选自氨水、碳酸铵、苛性钠、尿素中的一种。

18、根据本技术的一些实施方式，步骤(2)所述纳米二氧化硅的平均粒径为15nm。该粒径的纳米二氧化硅有助于降低熔炼温度，减少能耗，可以改善熔体的流动性，使得熔炼过程更加顺畅，减少熔炼时间和成本。

19、根据本技术的一些实施方式，步骤(2)所述熔炼采用间歇式加热的方式加热。间歇式加热允许在熔炼过程中控制加热的时间和间隔，使得材料在熔化状态下有适当的冷却时间，从而避免过热导致的质量不稳定，通过间歇式加热，可以确保材料在熔炼过程中有充分的时间进行扩散和混合，使得成分更加均匀，提高复合陶瓷的整体质量。

20、进一步地，所述间歇式加热每加热20-30min停止加热10min。

21、进一步地，所述间歇式加热时的加热温度分别为1800℃、1200℃、600℃，每次间歇后依次循环。

22、根据本技术的一些实施方式，步骤(3)所述研磨为湿法球磨。

23、进一步地，所述湿法球磨的转速为300-600r/min；更进一步为300-550r/min。

24、进一步地，所述湿法球磨的时间为10-40h；更进一步为12-36h。

25、根据本技术的一些实施方式，步骤(3)所述研磨后进行筛分，更进一步，所述筛分用于控制产物的粒径分布区间为50-200nm。该粒径能更好地兼顾钇锆复合纳米陶瓷材料的易烧结性和粉体的流动性，更利于陶瓷材料力学性能的改善。

26、根据本技术的一些实施方式，步骤(3)所述研磨前还可以加入其他添加剂。

27、进一步地，所述其他添加剂包括bao、k2o、na2o、cao、li2o中的至少一种。添加适量的添加剂能够有效抑制晶粒的异向生长，有利于zro2晶粒大小分布均匀，且ba2+、k+、na+、ca2+、li+与y3+、zr4+的半径、电价的不同，致使zr4+晶格产生活化，降低烧结活化能，从而降低烧结温度，提高钇锆复合纳米陶瓷的致密度。

28、第二方面，本技术实施例提供采用上述一种钇锆复合纳米陶瓷粉体的制备方法制成的钇锆复合纳米陶瓷粉体。

29、根据本技术实施例的钇锆复合纳米陶瓷粉体，至少具有如下有益效果：

30、本技术的钇锆复合纳米陶瓷粉体不易团聚，颗粒分布均匀，可以提高钇锆复合陶瓷材料的致密度和热膨胀性能。

31、第三方面，本技术实施例提供上述一种钇锆复合纳米陶瓷粉体在制作耐热陶瓷、航空航天中的应用。

32、第四方面，本技术实施例提供上述一种钇锆复合纳米陶瓷粉体在制作不锈钢表面陶瓷涂层中的应用；制备的钇锆复合纳米陶瓷与不锈钢热膨胀系数接近，结合牢固，不易脱落，不仅增强不锈钢的耐磨性，同时使陶瓷的力学性能得到提升。