專利名稱：一種含新型四組份燒結(jié)助劑的氧化鋁陶瓷組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋁陶瓷制造方法，特別是關(guān)于一種含燒結(jié)助劑的氧化鋁陶瓷組合物。
背景技術(shù)：
氧化鋁陶瓷具有化學性能穩(wěn)定、機械強度高、硬度大、耐高溫、耐磨性好、電絕緣能 力高、抗氧化、力學性能良好、原料蘊藏豐富、價格低廉等許多優(yōu)點，是一種應用領(lǐng)域最廣、 用量最大、應用發(fā)展?jié)摿Υ蟮母咝阅芏嘤猛竟こ烫沾桑瑥V泛應用于機械化工、電子、航空和 國防等各個令頁域[E. Medvedovski， Wear-resistant engineering ceramics, Wear, 249， 2001，821-828 ;Boutin P. ， Arthroplastie Totale de Hance par Prosthes en Alumine Fritte， Rev. Chir. Orthop. ， 1972,58 :229-246.]，有"陶瓷王"之稱。 在工業(yè)生產(chǎn)中，氣動元件家族中的控制閥、分配閥一直是氣動控制系統(tǒng)中的薄弱 環(huán)節(jié)；其主要原因是因運動部件容易磨損失效。這些運動部件的傳統(tǒng)材料是鋁臺金材料，雖 然重量輕，耐腐蝕但表面硬度低，易磨損。如果采用氧化鋁陶瓷材料作為工業(yè)閥門的閥芯元 件，比金屬、合金閥芯元件更耐腐蝕和耐磨損，能夠大大提高其使用壽命，經(jīng)測試使用壽命 可達20萬次以上。為了適應當前水資源日益匱乏的挑戰(zhàn)，對水龍頭旋塞的密封性、耐磨損 性和耐腐蝕性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的塑料閥芯或不銹鋼球閥芯在較差的水質(zhì)條件下， 操作的舒適感、密封性下降、磨損加劇，易出現(xiàn)漏水、滴水現(xiàn)象。而優(yōu)質(zhì)的陶瓷閥芯的水龍頭 手感舒適、使用壽命長(優(yōu)質(zhì)陶瓷閥芯開關(guān)次數(shù)可達到100萬次以上)，北京市早在1996年 就發(fā)布條例在新建的住宅樓中強制性要求開發(fā)商安裝陶瓷閥芯水龍頭。
機械設(shè)備中的動密封是通過兩個密封端面材料的旋轉(zhuǎn)滑動而進行的，作為密封端 面材料，要求硬度高，耐磨損性能好。另外，兩個端面密封材料在旋轉(zhuǎn)運動過程中由于摩擦 會產(chǎn)生一定的熱量，從而使密封端面的局部溫度升高，因此端面材料還必須能夠耐受一定 的溫度。為了避免端面密封材料在旋轉(zhuǎn)滑動過程中產(chǎn)生熱應變和熱裂，要求端面材料的導 熱系數(shù)高、抗熱震性好。氧化鋁陶瓷的硬度高、摩擦系數(shù)小，作為機械密封端面材料可獲得 很好的滑動特性。目前，氧化鋁陶瓷已經(jīng)在各類機械密封(特別是化工、水利、機械行業(yè)的 各類泵)中獲得大量的應用，使得機械的使用壽命成倍提高而生產(chǎn)成本、維護費用卻大幅 度下降。氧化鋁陶瓷在機械工業(yè)中還被成功地用作各種軸承和切削刀具，氧化鋁陶瓷刀具 具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優(yōu)良、化學穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點， 廣泛應用于難加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速 度比硬質(zhì)合金刀具高3-10倍，可大幅度提高切削加工效率。通過對晶粒尺寸、形貌的控制 及多種增韌補強手段，使陶瓷刀具的強度、韌性、抗沖擊性能都有了較大提高。陶瓷刀具材 料被認為是21世紀最有希望、最有競爭力的刀具材料。 人體硬組織替代材料(如人工髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，人造牙根、中耳聽骨以及其它骨損 傷的修復材料)在臨床醫(yī)學上的需要量越來越大，要求這些材料具有良好的生物相容性、 抗磨性、機械穩(wěn)定性、很高的機械強度。羥基磷灰石陶瓷(HA陶瓷)生物陶瓷具有良好的生物活性，與人體的軟硬組織能良好結(jié)合，固定可靠，但是HA陶瓷的抗磨性和物理機械指標
不能夠達到硬組織替代材料的標準，不能夠單獨使用在高機械負荷場合。而氧化鋁陶瓷具
有較高的機械強度、硬度、耐磨性和化學惰性，在人體內(nèi)不會受到排異、化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐
蝕、不老化，而且氧化鋁表面由于親水性能夠形成一層薄薄(<5um)的水合層，有助于形成
生物良好相容的保護膜。此外，在長期存留于機體中的條件下，這種陶瓷能保持物理和生物
化學性能，從而構(gòu)成了無反應植入和長期使用的良好先決條件，因此氧化鋁陶瓷作為生物
陶瓷在臨床上的應用非常廣泛，在口腔和骨移植物方面具有特殊的應用前景。 在這些場合中使用的氧化鋁陶瓷密封件、閥門閥芯、高速陶瓷刀具、氧化鋁陶瓷研
磨介質(zhì)、機械零部件(如瓷軸)、瓷濤等都要求有優(yōu)異的耐磨性能，耐磨性好的氧化鋁陶瓷
意味著更長的使用壽命，能夠應用在更加惡劣的和嚴格高要求的環(huán)境中。特別是在電子工
業(yè)的基板、IC封裝、切削刀具和液晶顯示器、電視機顯像管涂層等材料制作中對氧化鋁磨介
耐磨性要求很高，否則會產(chǎn)生嚴重的污染。然而氧化鋁陶瓷的耐磨性能是一個很復雜的因
素，與氧化鋁表面的微觀精細結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。有研究表明氧化鋁晶粒結(jié)晶細小、大小
均勻和晶界微孔較小且分布均勻是氧化鋁陶瓷韌性和耐磨性較好的微觀結(jié)構(gòu)特征[鄭元
善、彭建中、張洪波、王毅敏，氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)對表面粗糙度的影響，材料導報，2000，
14， 116-118]。也就是說為了獲得較高性能的氧化鋁陶瓷需要在較低的溫度下達到氧化鋁
陶瓷材料的致密(避免在高溫下晶粒的過度長大，保證均勻而細小的晶粒，均勻且微小的
晶界氣孔)及控制微觀組織結(jié)構(gòu)為穿晶斷裂，避免沿晶斷裂的產(chǎn)生。這也是提高氧化鋁陶
瓷性能、拓寬其應用領(lǐng)域，提高產(chǎn)品價值的關(guān)鍵。 氧化鋁陶瓷的液相燒結(jié)在八1203基體顆粒之間形成液相，方便了八1203顆粒的重排， 同時通過"溶解_沉淀"機理促進燒結(jié)，大幅降低A1203陶瓷的燒結(jié)溫度，能使極限載荷下微 觀組織結(jié)構(gòu)為穿晶斷裂，目前比較成熟的液相燒結(jié)助劑有CaO+Al203+Si02， MgO+Al203+Si02 等[WU Y. Q. ， ZHANGY. F. ， HUANG X. X. ， et al. Microst潔tural development and mechanicalproperties of self-reinforced alumina with CAS addition[J]. J. Eur. Ceram. Soc. ，2000,20 :1_7.]，是提高氧化鋁耐磨性能的良好制備方式。然而液相燒結(jié)也有 不少缺點，首先液相作為玻璃相殘存于晶界，使高溫強度、耐磨性下降，不能滿足某些較高 溫度的應用場合；其次特別是在燒結(jié)后期容易引起晶粒異常長大[鈴木弘茂主編，陳世興 譯，工程陶瓷，北京科學出版社，1989.]而阻礙性能的進一步提高。因此單純通過形成低 共熔液相促進傳質(zhì)降低燒結(jié)溫度作用的助劑對形成細小而均勻的陶瓷晶粒是不夠的。助劑 的成分和形態(tài)需要進一步進行篩選和考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有背景技術(shù)而提供的一種含四組分 燒結(jié)助劑的氧化鋁陶瓷組合物。該納米四組份助劑為M0(M為Mg， Ba， Be中的一 種)-Ca0-Si02-L203(L為稀土元素，是Ce， La， Lu中的一種)四組份助劑，其中M0+Al203+Si02 構(gòu)成液相燒結(jié)體系，在燒結(jié)溫度下，該組份助劑體系呈液態(tài)，液相的存在方便了氧化鋁顆粒 的重排并通過"溶解_沉淀"機理促進燒結(jié)，大幅降低A1203陶瓷的燒結(jié)溫度。而體系中的 L203及M0與A1203在燒結(jié)的后期能逐漸形成尖晶石類物質(zhì)(其熔點> 2100°C )，該物質(zhì)熔 點較高在燒結(jié)溫度下顯固態(tài)，它們位于晶界抑制晶粒長大、促進氣孔排除提高陶瓷燒結(jié)的
4致密度，從而形成細小而均勻的氧化鋁陶瓷晶粒和晶界氣孔，從而使氧化鋁陶瓷組合物材料有較好的高溫機械、耐磨性能。 本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案達到，該技術(shù)方案提供一種含有新型四組份助劑的氧
化鋁陶瓷組合物，其組成如下 (1)氧化鋁粉體75% 90%(重量) (2)納米M0(M為Mg， Ba， Be中的一種)3% 6%(重量)
(3)納米Si02 2 % 6 % (重量)
(4)納米CaO 2% 6% (重量) (5)納米L203 (L為稀土元素，是Ce，La，Lu中的一種)3% 7%(重量)
采用的技術(shù)方案其特征在于該四組份納米燒結(jié)助劑顆粒尺度在300納米以下，但主體氧化鋁粉體粒度在微米尺度(1-10微米)。這些納米助劑都是可以在市場上購買得到的，如納米二氧化硅和氧化鈣可以在北京納辰公司購買得到或者也可以通過溶膠凝膠等方法自行制備得到。這些組份化合物都是可以在市場上購買得到的。十分有益的是在燒結(jié)溫度(1300°C -1400°C )下，10-510241203形成液相，液相的存在方便了氧化鋁顆粒的重排并通過"溶解_沉淀"機理促進燒結(jié)，大幅降低A1203陶瓷的燒結(jié)溫度；而體系中的L203及MO與八1203在燒結(jié)的后期能逐漸形成尖晶石類物質(zhì)(其熔點> 2100°C )，該物質(zhì)熔點較高在燒結(jié)溫度下顯固態(tài)，它們一方面降低了玻璃態(tài)共熔體含量；另一方面它們位于晶界抑制晶粒長大、促進氣孔排除提高陶瓷燒結(jié)的致密度，從而形成細小而均勻的氧化鋁陶瓷晶粒和晶界氣孔，從而使氧化鋁陶瓷組合物材料有較好的高溫機械、耐磨性能。在燒結(jié)前驅(qū)粉體中，主要原料氧化鋁粉體、四組份助劑在整體中所占的重量比為95_99%，其余l(xiāng)-5wt^為結(jié)合劑，用來在前驅(qū)粉體的成型過程中粘接粉體、保持一定的形狀。這些結(jié)合劑在后續(xù)的熱處理過程中將會分解而除去。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于采用新型四組份助劑MO(M為Mg， Ba， Be中的一種)_CaO-Si02-L203(L為稀土元素，是Ce， La， Lu中的一種)既能夠降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度到1300°C -1400°C，同時又通過燒結(jié)助劑組分在燒結(jié)后期與液相組份的反應形成高熔點尖晶石物質(zhì)而降低其含量，提高氧化鋁陶瓷組合物的高溫強度和抗氧化性能；抑制晶粒長大、促進氣孔排除提高陶瓷組合物燒結(jié)的致密度，從而形成細小而均勻的氧化鋁陶瓷晶粒和晶界氣孔，使氧化鋁陶瓷組合物材料有較好的高溫機械、耐磨性能。使其特別適合在高溫下苛刻環(huán)境中的高強度連續(xù)使用。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施實例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例1 :取納米MgO :納米La203 :納米CaO :納米Si02質(zhì)量比=0.15 : 0.15 : 0.3 : O. 4混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的10% )與88wt^碳化硅粉、2wt^酚醛樹脂、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入IOOOW大功率超聲波換能器，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入1000W大功率超聲波換能器。啟動超聲發(fā)生器，施加脈沖超聲場。工作20分鐘后將得到
的懸浮液過濾、干燥、粉碎、過篩后，裝入模具中模壓成型。將素坯經(jīng)過熱處理除去結(jié)合劑在
真空碳管爐中程序升溫，在135(TC下保溫1小時，在138(TC下保溫30分鐘后關(guān)閉溫度控制器，隨爐自然冷卻到常溫即為氧化鋁陶瓷燒成體。 實施例2 :取納米Be0 :纟內(nèi)米Ce203 :纟內(nèi)米CaO :纟內(nèi)米Si02質(zhì)量比= 0.2 : 0.2 : 0.4 : O. 2混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的5% )與90wt^碳化硅粉、5wt^酚 醛樹脂、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸 浮液中插入1500W大功率超聲波換能器，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入 1500W大功率超聲波換能器。啟動超聲發(fā)生器，施加脈沖超聲場。工作20分鐘后將得到的 懸浮液過濾、干燥、粉碎、過篩后，裝入模具中模壓成型。將素坯經(jīng)過熱處理除去結(jié)合劑在真 空碳管爐中程序升溫，在138(TC下保溫1. 5小時，在143(TC下保溫20分鐘后關(guān)閉溫度控制 器，隨爐自然冷卻到常溫即為氧化鋁陶瓷燒成體。 實施例3 :取納米BaO :纟內(nèi)米Lu203 :纟內(nèi)米CaO :纟內(nèi)米Si02質(zhì)量比= 0.3 : 0.3 : 0.2 : O. 2混合物(占前驅(qū)粉體總質(zhì)量的15% )與83wt^碳化硅粉、2wt^ PVA、在常溫下與相同重量的水混合形成懸浮液，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液 中插入2000W大功率超聲波換能器，經(jīng)過電動攪拌器攪勻5分鐘后在該懸浮液中插入2000W 大功率超聲波換能器。啟動超聲發(fā)生器，施加脈沖超聲場。工作20分鐘后將得到的懸浮液 過濾、干燥、粉碎、過篩后，裝入模具中模壓成型。將素坯經(jīng)過熱處理除去結(jié)合劑在真空碳管 爐中程序升溫，在140(TC下保溫1. 5小時，在145(TC下保溫20分鐘后關(guān)閉溫度控制器，隨 爐自然冷卻到常溫即為氧化鋁陶瓷燒成體。
權(quán)利要求
一種含新型四組份燒結(jié)助劑的氧化鋁陶瓷組合物，其組成如下(1)氧化鋁粉體 75％～90％(重量)(2)納米MO(M為Mg，Ba，Be中的一種)3％～6％(重量)(3)納米SiO2 2％～6％(重量)(4)納米CaO 2％～6％(重量)(5)納米L2O3(L為稀土元素，是Ce，La，Lu中的一種)3％～7％(重量)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁陶瓷組合物，其特征在于該四組份納米燒結(jié)助劑顆粒尺度在300納米以下，但主體氧化鋁粉體粒度在微米尺度(1-10微米)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁陶瓷組合物，其特征在于在燒結(jié)前驅(qū)粉體中，主要原料氧化鋁粉體、四組份助劑在整體中所占的重量比為95-99%，其余l(xiāng)-5wt^為結(jié)合劑。
全文摘要
一種含新型四組份燒結(jié)助劑氧化鋁陶瓷組合物，其特征在于該四組份助劑為MO(M為Mg，Ba，Be中的一種)-CaO-SiO2-L2O3(L為稀土元素，是Ce，La，Lu中的一種)。其組成為(1)氧化鋁粉體75％～90％(重量)；(2)納米MO(M為Mg，Ba，Be中的一種)3％～6％(重量)；(3)納米SiO2 2％～6％(重量)；(4)納米CaO 2％～6％(重量)；(5)納米L2O3(L為稀土元素，是Ce，La，Lu中的一種)3％～7％(重量)。該四組份燒結(jié)助劑顆粒尺度在300納米以下，但主體氧化鋁粉體粒度在微米尺度(1-10微米)。通過形成液相及燒結(jié)后期逐漸形成的尖晶石類物質(zhì)(其熔點＞2100℃)消除液相，促進燒結(jié)同時抑制晶粒長大、促進氣孔排除提高致密度，形成細小而均勻的氧化鋁陶瓷晶粒和晶界氣孔，從而使氧化鋁陶瓷材料有較好的高溫機械、耐磨性能。
文檔編號C04B35/10GK101767981SQ20091013206
公開日2010年7月7日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者任元龍, 宋岳, 水淼, 王青春, 黃峰濤 申請人:寧波大學