一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5y?psz)陶瓷的制备方法

一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5y?psz)陶瓷的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y?PSZ)陶瓷的制备方法，其步骤：a.以5Y?PSZ为基体材料，以氧化镁(MgO)为烧结助剂；b. 将基体材料和烧结助剂进行搅拌混和，混合后湿法混磨5小时；c. 将混磨后的混合料加热至90℃温度烘干，升温至1200℃下预烧8～10小时，制得氧化镁(MgO)和5Y?PSZ的粉体；d. 将制得的粉体和去离子水放入球磨罐中湿法球磨5h；e. 将球磨好的粉体放烘箱干燥，然后将干燥粉料造粒；f. 将造粒后的粉料在200MP静压下，压制成片状生坯；g. 将片状生坯烧结，升温到1350～1550℃，烧结3小时，得到致密的0.1～1wt.%氧化镁(MgO) 掺杂的钇稳定氧化锆(5Y?PSZ)陶瓷。该方法制备的陶瓷不仅具备较大的相对密度与维氏硬度，同时还具有较优异的抗低温时效性能。
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，属于陶瓷 制造工艺技术领域。 一种氧化镆掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法
【背景技术】
[0002] 众所周知，未掺杂氧化锆有三种不同物相结构，随温度的升高分别为单斜相结构 的氧化锆、四方相结构的氧化锆和立方相结构的氧化锆，氧化锆陶瓷在实际应用中，为了得 到室温下稳定的四方相结构，通常在氧化锆陶瓷中掺入3~8mol% Y2O3。钇稳定氧化锆陶瓷 具备优异的力学性能，该陶瓷在室温下其抗弯强度可达2000MPa，断裂韧性可达到9MPa/ m 2,同时还具备一定的生物惰性，被广泛应用于齿科和骨科生物领域。然而，该陶瓷长期在 低温区（100~400°C)下使用时，其表面向内部会自发发生四方相向单斜相的物相结构转 变，导致力学性能的急剧下降。这种结构转变现象在温度区（200~300°C)最为明显，当处于 潮湿空气或有水的环境下，陶瓷力学性能下降的速度会明显加快，被称为低温时效效应 (Low temperature degradation, LTD)，这种低温时效效应限制了氧化错陶瓷的应用。通 过水热时效实验表征氧化锆陶瓷的低温时效性能，即将氧化锆陶瓷置于100~150°C的潮湿 环境下若干个小时，检测氧化锆陶瓷实验前后单斜相氧化锆增长的体积分数。
[0003] 目前，抑制掺钇氧化锆的LTD性能的方法一种是在钇稳定氧化锆陶瓷中加大Y2O3的 掺杂量，但是陶瓷断裂韧性会因为四方相氧化锆的减少而降低；另一种是在钇稳定氧化锆 陶瓷中加入ΑΙ2Ο3，结果表明：在氧化锆陶瓷[简称3Υ-ΤΖΡ]中掺入（1.2-12wt.%)Al2〇3能够抑 制氧化锆的四方相结构向单斜相结构自发转变。但是，掺入Α1 2〇3会导致氧化锆陶瓷透明度 的下降，影响氧化锆陶瓷在口腔牙科中的应用；掺入Ce、Y能够提高氧化锆陶瓷的抗LTD性 能，在氧化锆陶瓷[简称2Y-TZP]中掺入Ce0 2后，其晶粒减小，并伴随抗LTD性能的提高，但是 氧化锆陶瓷[简称Ce-TZP]烧结后为黄色，也影响了氧化锆陶瓷在口腔牙科生物材料领域的 应用。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化 锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，该方法制备的陶瓷不仅具备较大的相对密度与维氏硬度，同 时还具有较优异的抗低温时效性能，进一步满足在生物材料领域中应用的要求。
[0005] 本发明的目的可以通过如下措施来达到： 本发明一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，以5Y-PSZ为基体材 料;以氧化镁(MgO)为烧结助剂，经烧结而成，其特征在于，其具体制备步骤如下： a.采用如下以质量百分比计的原料： 氧化儀(MgO)wt·% 0.1~1.0 Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)wt.% 99 ~99.9 以5Y-PSZ为基体材料，以氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0 · 1~lwt · %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.1~1 wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0006] 本发明的有益效果是： 本发明的方法通过在5mo 1%Y203-Zr02 (5Y-PSZ)粉末中掺杂不同质量分数氧化镁(MgO)， 达到调控钇稳定氧化锆陶瓷(5Y-PSZ)的相对密度、维氏硬度以及抑制低温时效性能，所制 备的陶瓷不仅具备较大的相对密度与维氏硬度，同时还具有较优异的抗低温时效性能，进 一步满足在生物材料领域中应用的要求。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明中0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的相 对密度随氧化镁(MgO)掺杂量变化趋势图。
[0008] 图2为本发明中0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的维 氏硬度随氧化镁(MgO)掺杂量变化趋势图。
[0009] 图3为本发明中0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷水热 时效后的单斜相体积分数随氧化镁(MgO)掺杂量变化趋势图。
【具体实施方式】
[0010] 现将本发明的具体实施例叙述于后。
[0011] 本发明一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，该陶瓷以5Y-PSZ为基体材料;以氧化镁(MgO)为烧结助剂，经烧结而成，由如下以质量百分比计的原料： 氧化儀(MgO)wt·% 0.1~1.0 Y2〇3-Zr〇2 (5Y-PSZ)wt.% 99.0~99.9 各组分的重量百分比之和为l〇〇wt.%。
[0012] 实施例1 一种氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如 下： a. 采用高纯99.99%的氧化镁(MgO)和99.99%的5mol%纪稳定氧化锆(5Y-PSZ)为原料，按 配方配制，重量百分比为99.9wt. %钇稳定氧化锆（5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为 0. lwt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； C.将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0 · lwt ·%氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.1 wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0013] 实施例2 一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如下： a. 采用高纯99.99%的氧化镁(MgO)和99.99%的5mol%钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)为原料， 按配方配制，重量百分比为99.8wt. %钇稳定氧化锆（5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为 0.2wt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0.2wt. %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.2wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0014] 实施例3 一种氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如 下： a. 采用高纯99.99%的氧化镁(MgO)和99.99%的5mol%钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)为原料， 按配方配制，重量百分比为99.6wt.%纪稳定氧化锆(5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为0.4 wt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0.4wt. %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.4wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0015] 实施例4 一种氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如 下： a·采用高纯99·99wt·%的氧化镁(MgO)和99·99%的5mol%纪稳定氧化锆（5Y-PSZ)为原 料，按配方配制，重量百分比为99.4wt.%钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为 0.6wt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0 · 6wt · %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.6wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0016] 实施例5 一种氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如 下： a. 采用高纯99.99%的氧化镁(MgO)和99.99%的5mol%钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)为原料， 按配方配制，重量百分比为99.2wt. %钇稳定氧化锆（5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为 0.8wt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0.8wt. %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.8wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0017] 实施例6 一种氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，其具体工艺步骤如 下： a. 采用高纯99.99%的氧化镁(MgO)和99.99%的5mol%钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)为原料， 按配方配制，重量百分比为99. Owt. %钇稳定氧化锆（5Y-PSZ)为基体材料，重量百分比为 lwt. %氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得1 wt · %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02 (5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的1 wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
[0018] 本发明各实施例组分配比见表1，各实例制备了 0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇 稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷，图1、图2分别是0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆 (5Y-PSZ)陶瓷的相对密度和维氏硬度图，由图可知，在1350 °C下烧结，0.1~1 wt. %氧化镁 (MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的相对密度、维氏硬度随氧化镁(MgO)掺杂量增加 显著增加;提高烧结温度（1400-1500°C )后，0.1~lwt.%氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆 (5Y-PSZ)陶瓷的相对密度、维氏硬度在掺杂量为0.2wt. %处为最优值，进一步提高烧结温度 至1550°C，氧化镁(MgO)的掺入会造成相对密度、维氏硬度数值的减小。图3为本发明的0.1 ~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷水热时效后的增加的单斜相体积 分数图，由图可知，水热时效实验中，在1350°C温度下烧结时，氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧 化锆（5Y-PSZ)陶瓷与未掺杂陶瓷相同，没有检测到m-Zr0 2氧化锆物相体积分数变化，在 1450-1550 °C温度下烧结的0.1~lwt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷水 热时效后氧化锆物相的体积分数随氧化镁(MgO)的掺杂量变化由减小变为增大，其中1450 °C下烧结0.2wt. %氧化镁(MgO)掺杂量处m-Zr02体积分数最小，显示出优异的抗低温时效性 能。以上结果表明，在1350 °C下烧结并掺杂有lwt. %氧化镁(MgO)或者1450 °C下烧结并掺有 0.2wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷不仅具有较大的相对密度与维氏 硬度，同时还具有优异的抗低温时效性能。
[0019] 表1:本发明中的各个实施例组分配比
【主权项】
1.本发明一种氧化镁掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷的制备方法，以5Y-PSZ为基体 材料;以氧化镁(MgO)为烧结助剂，经烧结而成，其特征在于，其具体制备步骤如下： a. 采用如下以质量百分比计的原料： 氧化儀(MgO)wt·% 0.1~1.0 Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)wt.% 99 ~99.9 以5Y-PSZ为基体材料，以氧化镁(MgO)为烧结助剂； b. 将上述步骤a中的基体材料和烧结助剂进行搅拌，充分均匀混和，混合料在去离子 水中湿法混磨5小时； c. 将上述步骤b中混磨后的混合料加热至90°C温度烘干，然后升温至1200°C下预烧8 ~10小时，制得0 · 1~lwt · %氧化镁(MgO)掺杂Y2〇3-Zr02(5Y-PSZ)的粉体； d. 将上述步骤c中制得的粉体和去离子水放入球磨罐中进行湿法球磨5h; e. 将上述步骤d中球磨好的粉体放入烘箱内进行干燥，加热至90°C，恒温24h，然后将 干燥粉料进行造粒，过40目筛； f. 将上述步骤e中的造粒后的粉料在200MP冷等静压下，压制成片状生坯； g. 将上述步骤f中制得的片状生坯放在烧结炉中烧结，升温到1350~1550°C，烧结时 间3小时，得到致密的0.1~1 wt. %氧化镁(MgO)掺杂的钇稳定氧化锆(5Y-PSZ)陶瓷。
【文档编号】C04B35/622GK106045505SQ201610386631
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月4日
【发明人】袁野, 杨秋红, 归琰, 邵英杰
【申请人】上海大学