一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]氧化铝陶瓷材料因具有优良的耐高温、抗腐蚀、耐磨损等特性和电绝缘性能，并且制造成本低，因此是目前应用最广泛的一种先进陶瓷材料。可作为电子工业中电路衬底材料、发动机零部件材料。氧化铝的显微组织通常为等轴状晶粒，断裂韧性较低，通常只有3?4MPa.m1/2，极大地限制了其应用领域。因此国内外开展了大量研宄，以期提高氧化铝陶瓷的断裂韧性。目前主要通过两种途径提高氧化铝的断裂韧性；一是在氧化铝陶瓷基体中添加第二相增强体(纤维、晶须和颗粒等)，证明能够显著提高材料的断裂韧性，国内外专利，如美国专利 US4, 657，877 和中国专利 CN102674819A，CN101948325A，CN102757254A 对该技术均有相关报道。但此方法仍存在制备工艺复杂、成本高、增强体难以均匀分散以及晶须有害人体健康等一系列的弊端。二是通过引入添加剂或晶种等办法诱导等轴状Al2O3晶粒异向生长成长柱状，来增韧Al2O3陶瓷，这也是近几十年来高韧性氧化铝陶瓷研宄的重点方向。文献(《国内外原位生长柱状晶增韧氧化铝陶瓷研宄的现状》，铸造设备研宄，2008，N0.1, 46-51)综述了引入添加剂和晶种的种类和引入方法。主要添加剂包括CaO-Al2O3-S12玻璃、MgB2、T12, Cr203、CaF2和高岭土、S1 2_Nb203、Na2O-MgO体系，以及氧化铝纳米晶种和磨耗晶种。在1500-1650°C，通过常压或热压烧结，可获柱状晶增韧的氧化铝陶瓷。如中国专利CN101618960A报道了在纯度为99.99%的α -氧化铝中添加少量含有Ca，Mg离子的Mg(NO3)2, CaCl2S，即可以诱发氧化铝异向生长，从而制备出含原位生长长柱状氧化铝晶的陶瓷。另外，中国专利CN 101343176Α报道了一种自补强亚微米晶氧化铝陶瓷的制备方法，在细晶α -氧化铝中加入添加剂，如氧化锌、氧化镁、氧化钙、氧化钇、氧化斓、氧化钛、氧化硼、氧化铁、氧化钒、氧化硅中的任意一种或者任意两种以上的混合物，可制得含有氧化铝长柱状晶的自补强的亚微米晶氧化铝陶瓷，显微结构中含有长径比大于5的长柱状氧化铝晶粒。同样，美国专利US5，081, 082描述了一种在a -Al2O3基体中原位生长β -Al 203针状晶提高氧化铝陶瓷韧性的方法；即在高纯a -Al2O3粉末中添加摩尔比小于3%的Na2O和MgO复合添加剂，在1600-1700°C常压，或1550-1650°C，30-60MPa的压力下热压烧结，可获得β-Al2O3原位生长的氧化铝陶瓷。以上专利都报道了，通过原位柱状晶的生长可以提高氧化铝的断裂韧性，但均没有给出具体的韧性值大小。
[0003]采用上述原位生长柱状氧化铝提高陶瓷韧性的方法，柱状氧化铝的含量难以控制，且长径比较小，通常以高纯氧化铝为原料的体系，需要采用热压烧结方法才能制备力学性能较高的氧化铝陶瓷，成本较高，不适合批量化生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，以该方法制备的氧化铝陶瓷具有柱状晶结构特点、优异力学性能和广泛的用途。
[0005]为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的:一种高韧性柱状氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于:以高纯α-氧化铝粉体为主要原料，碳化硅为添加剂，按一定质量比进行配料，然后湿式混合、干燥、造粒后成型，预烧结，获得相对密度为72?83%的半成品，自然冷却至室温，再将预烧结后的半成品进行酸化处理，然后在室温下干燥，再进行二次烧结，烧结温度为1450?1550°C，保温时间为2?6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷。
[0006]原料:粒径为2?5 μ m、纯度为99.99%的α -氧化铝粉体和碳化硅，质量百分比为 92-98:2-8 ；
[0007]制备步骤:将上述原料粉体按比例混合后加水，在微粒球磨机中球磨，混合均匀；经干燥、造粒后成型，预烧结温度为1400?1450°C，保温时间为2?4h，获得相对密度为72?83%的半成品，自然冷却至室温；再将预烧结后的半成品浸泡在质量浓度为13%的HF溶液中进行酸化处理，时间为I?3分钟，取出后在室温干燥；再进行二次烧结，烧结温度为1450?1550°C，保温时间为2?6h，自然冷却至室温，制得高韧性柱状氧化铝陶瓷。
[0008]所述的高韧性柱状氧化铝陶瓷，具有原位生长的柱状氧化铝晶粒，柱状晶的长径比大于5，成型后材料的弯曲强度为290?430MPa，断裂韧性为4.8?7.6MPa.m1/2。
[0009]本发明的优点在于用机械混合法制备Al2O3和SiC复合粉末，首先对坯体预烧结，产生液相和孔隙，为柱状晶粒的生长提供界面能和生长空间；随后对预烧结试样进行简单酸化处理和二次烧结，可获得原位生长的柱状晶氧化铝陶瓷，制得的氧化铝陶瓷具有韧性高、成本低的特点，可成为对韧性要求较高的结构陶瓷部件的优选材料。
【附图说明】
[0010]图1为本发明实施例2制得的柱状氧化铝陶瓷试样的断口扫描电镜照片；
【具体实施方式】
[0011]以粒径为2?5μηι，纯度为99.99%的α -氧化销为主要原料，按氧化销和碳化娃的质量百分比为(92-98): (2-8)进行配料，将粉体湿式混合、干燥、成型，于1400?1450°C预烧结2?4h，获得相对密度为72?83 %的半成品，将预烧结后的试样浸泡在浓度为13 %的HF溶液中I?3分钟，取出后在室温干燥，然后在1450?1550°C进行二次烧结2?6小时，可制得具有柱状氧化铝晶粒组成的氧化铝陶瓷。柱状晶的长径比大于5，材料的弯曲强度为290?430MPa，断裂韧性为4.8?7.6MPa.m1/2。
[0012]实施例1
[0013]按质量百分比为98:2分别称取粒径为2-5 μ m的氧化铝粉末98克，碳化硅2克，再加入98ml蒸馏水。将混合料在微粒球磨机中球磨4小时，干燥、造粒、成型，于1450°C预烧结4小时，自然冷却至室温，试样的相对密度为72%，然后将试样浸泡在质量浓度为13%的氢氟酸溶液中进行酸化处理I分钟，取出室温干燥，再于1550°C进行二次烧结3小时，而后自然冷却至室温，获得的材料由柱状氧化铝晶粒组成，柱状晶的长径比大于5，用三点弯曲法测定试条的强度，每组测试结果为5根试条的平均值，弯曲强度为430±25MPa，断裂韧性为 4.8±0.5MPa.m