一種氧化鋯復(fù)合陶瓷及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種氧化鋯復(fù)合陶瓷，包括氧化鋯、穩(wěn)定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩(wěn)定劑均勻混合，所述氧化鋯復(fù)合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%～20%。該氧化鋯復(fù)合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強(qiáng)了氧化鋯復(fù)合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復(fù)合陶瓷中形成相互搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在常溫下就具有導(dǎo)電性能。還提供一種氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種氧化鋯復(fù)合陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化鋯陶瓷領(lǐng)域，特別是涉及一種氧化鋯復(fù)合陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著特種陶瓷的使用范圍增加，陶瓷本身的缺陷也暴露開(kāi)來(lái)，陶瓷作為一種無(wú)機(jī)材料，本身具有極高的硬度(使用最普遍的氧化鋁維氏硬度可達(dá)90以上)，耐高溫性能，耐摩擦，絕緣性能，優(yōu)良的生物相容性。但是在一些特殊的使用場(chǎng)合，卻滿(mǎn)足不了使用條件，比如陶瓷的斷裂韌性太低，經(jīng)受不住剪切力和拉拔力，或者有一些使用環(huán)境要求所使用的工程材料具有導(dǎo)電性能。氧化鋯陶瓷是陶瓷材料中室溫力學(xué)性能最高的一種材料，但是其強(qiáng)度和韌性隨溫度上升而急劇下降，且在常溫下為絕緣體，制約了其大規(guī)模應(yīng)用，因此研究開(kāi)發(fā)一種新型氧化鋯復(fù)合陶瓷是目前這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)氧化鋯陶瓷韌性低，常溫絕緣提供一種具有較高韌性和常溫下導(dǎo)電的新型氧化鋯復(fù)合陶瓷。
[0004]進(jìn)一步，提供一種氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法。
[0005]一種氧化鋯復(fù)合陶瓷，包括氧化鋯、穩(wěn)定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩(wěn)定劑均勻混合，所述氧化鋯復(fù)合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
[0006]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述穩(wěn)定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩(wěn)定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0007]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
[0008]上述氧化鋯復(fù)合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強(qiáng)了氧化鋯復(fù)合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復(fù)合陶瓷中形成相互搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在常溫下就具有導(dǎo)電性能。
[0009]一種氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0010]將I~5mm的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時(shí)后取出干燥，使所述碳纖維表面形成油酸薄膜；
[0011]將干燥后的碳纖維與粘結(jié)劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時(shí)，得到第一混合料；
[0012]將所述第一混合料、氧化鋯及穩(wěn)定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時(shí)，
破碎，得到第二混合料；
[0013]將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯；
[0014]將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時(shí)后取出；
[0015]將在萃取劑中浸泡過(guò)的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結(jié)劑；
[0016]在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑的生坯在1450~1490°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯
復(fù)合陶瓷。[0017]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述在500°C，400Pa真空度下除去粘結(jié)劑的條件具體為:以0.6~0.80C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.4°C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17°C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。
[0018]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述燒結(jié)的條件為:以1.08~2 V /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2V /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
[0019]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
[0020]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述油酸與所述碳纖維的質(zhì)量比為10:1。
[0021]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述粘結(jié)劑為:質(zhì)量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物；所述粘結(jié)劑與所述碳纖維的質(zhì)量比為4:1~3:1。
[0022]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述穩(wěn)定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩(wěn)定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0023]上述氧化鋯陶瓷的制備方法簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度低，通過(guò)將碳纖維在油酸中浸泡處理，使其在油性粘結(jié)劑中得到更好的相容性，且在400Pa真空度下燒結(jié)，在除去粘結(jié)劑的同時(shí)保證了碳纖維不被氧化。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為一實(shí)施方式的氧化鋯復(fù)合陶瓷的電阻率與碳纖維含量之間的關(guān)系圖；
[0025]圖2為一實(shí)施方式`的氧化鋯復(fù)合陶瓷的斷裂韌性與碳纖維含量之間的關(guān)系圖；
[0026]圖3為一實(shí)施方式的氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法流程圖；
[0027]圖4為一實(shí)施方式的碳纖維在粘結(jié)劑中的分散圖；
[0028]圖5為實(shí)施例1制備的氧化鋯復(fù)合陶瓷的宏觀照片；
[0029]圖6為實(shí)施例1制備的氧化鋯復(fù)合陶瓷的微觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施的限制。
[0031]一種氧化鋯復(fù)合陶瓷，包括氧化鋯、穩(wěn)定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩(wěn)定劑均勻混合，所述氧化鋯復(fù)合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
[0032]在本實(shí)施方式中，碳纖維的長(zhǎng)度為I~5mm。
[0033]穩(wěn)定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂。純氧化鋯添加穩(wěn)定劑后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，加熱以后不會(huì)發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯應(yīng)用范圍。
[0034]優(yōu)選的，穩(wěn)定劑與氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0035]優(yōu)選的，氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
[0036]請(qǐng)參閱圖1，為一實(shí)施方式的氧化鋯復(fù)合陶瓷的電阻率與碳纖維含量之間的關(guān)系圖。由圖1可以看出，隨著碳纖維體積含量的增加，氧化鋯復(fù)合陶瓷的電阻率逐漸降低，當(dāng)碳纖維體積含量在12.5%~20%時(shí)，氧化鋯復(fù)合陶瓷的電阻率呈現(xiàn)一個(gè)較平穩(wěn)的趨勢(shì)。
[0037]請(qǐng)參閱圖2，為一實(shí)施方式的氧化鋯復(fù)合陶瓷的斷裂韌性與碳纖維含量之間的關(guān)系圖。由圖2可以看出，隨著碳纖維體積含量的增加，氧化鋯復(fù)合陶瓷的斷裂韌性先變大后減小。當(dāng)碳纖維的體積含量在12.5%時(shí)，氧化鋯復(fù)合陶瓷的斷裂韌性最大。
[0038]上述氧化鋯復(fù)合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強(qiáng)了氧化鋯復(fù)合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復(fù)合陶瓷中形成相互搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在常溫下就具有導(dǎo)電性能。
[0039]請(qǐng)參閱圖3，一實(shí)施方式的氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0040]S210、將I~5mm的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時(shí)后取出干燥，使所述碳纖維表面形成油酸薄膜。
[0041]在本實(shí)施方式中，碳纖維是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)纖維短切而成，具有分散均勻、喂料方式多樣、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
[0042]在本實(shí)施方式中，油酸與碳纖維的質(zhì)量比為10:1。
[0043]在本實(shí)施方式中，所述干燥的方法具體為:自然晾干或在40~50°C的烘箱中烘干。
[0044]通過(guò)將碳纖維放入油酸中浸泡處理，使其表面形成油酸薄膜，使其能在油性粘結(jié)劑中得到更好的相容性。
[0045]S220、將干燥后的 碳纖維與粘結(jié)劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時(shí)，得到第一
混合料。
[0046]在本實(shí)施方式中，粘結(jié)劑為:質(zhì)量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物。優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑與所述碳纖維的質(zhì)量比為4:1~3:1。
[0047]請(qǐng)參閱圖4，一實(shí)施方式的碳纖維在粘結(jié)劑中的分散圖。由圖2可以看出，碳纖維在粘結(jié)劑中能更好的均勻分布。這是因?yàn)橛删奂谆┧峒柞ァ⑹灱坝仓峄旌现苽涞恼辰Y(jié)劑比水具有更大的粘度和表面張力，在空間中對(duì)碳纖維能產(chǎn)生更好的定位作用。
[0048]S230、將所述第一混合料、氧化鋯及穩(wěn)定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時(shí)，破碎，得到第二混合料。
[0049]在本實(shí)施方式中，穩(wěn)定劑為為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂。優(yōu)選的，所述穩(wěn)定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0050]優(yōu)選的，所述第一混合料、氧化鋯及穩(wěn)定劑在密煉機(jī)中混合加熱到170~180°C，攪拌2~4小時(shí)，破碎得到第二混合料。
[0051]S240、將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯。
[0052]在本實(shí)施方式中，成型方式為注射成型。在其他實(shí)施方式中，成型方式還可以為擠出成型、熱壓成型或輥壓成型。
[0053]S250、將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時(shí)后取出。
[0054]在本實(shí)施方式中，萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
[0055]可以理解，在其他實(shí)施方式中還可以采用其他萃取劑，只要此過(guò)程中，石蠟被脫除即可。
[0056]S260、將在萃取劑中浸泡過(guò)的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結(jié)劑。
[0057]在本實(shí)施方式中，除去粘結(jié)劑的條件具體為:以0.6~0.8°C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.40C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17~0.250C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。此過(guò)程中，粘結(jié)劑中的聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸被脫除。
[0058]S270、在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑后的生坯在1450~1490°C燒結(jié)，得到所述
氧化鋯復(fù)合陶瓷。
[0059]在本實(shí)施方式中，燒結(jié)的條件為:以1.08~2°C /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2°C /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
[0060]在真空條件下排膠燒結(jié)，保證了碳纖維不被氧化。另外，在真空條件下燒結(jié)，使氧化鋯復(fù)合陶瓷晶格內(nèi)產(chǎn)生氧空位，由碳原子填充，降低了氧化鋯陶瓷的電阻率。
[0061]上述氧化鋯陶瓷的制備方法簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度低，通過(guò)將碳纖維在油酸中浸泡處理，使其在油性粘結(jié)劑中得到更好的相容性， 且在400Pa真空度下燒結(jié)，保證了碳纖維不被氧化。
[0062]以下為具體實(shí)施例。
[0063]實(shí)施例1
[0064]將100glmm的碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散12小時(shí)后取出晾干,使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的碳纖維與400g質(zhì)量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結(jié)劑混合，在170°C攪拌2小時(shí)，得到第一混合料。將第一混合料、1900g氧化鋯及100g氧化釔混合，加熱到170°C，攪拌2小時(shí)，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在170°C成型，得到生坯。將生坯在50°C的煤油中浸泡12小時(shí)除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑的生坯在1450°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯復(fù)合陶瓷。
[0065]圖5為本實(shí)施例制備的氧化鋯復(fù)合陶瓷的宏觀照片。由圖5可以看出，燒結(jié)后的氧化鋯復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)完好，無(wú)缺損。
[0066]圖6為本實(shí)施例制備的氧化鋯復(fù)合陶瓷的微觀形貌圖。由圖6可以看出，碳纖維在氧化鋯復(fù)合陶瓷中均勻分布，形成相互搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使氧化鋯復(fù)合陶瓷在常溫下就具有導(dǎo)電性能。
[0067]實(shí)施例2
[0068]將100g5mm碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散12小時(shí)后取出在40°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的短切碳纖維與300g質(zhì)量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結(jié)劑混合，在180°C攪拌I小時(shí)，得到第一混合料。將第一混合料、1900g氧化鋯及100g氧化鈣混合，加熱到180°C，攪拌4小時(shí)，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時(shí)除去石蠟，再在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑的生坯在1490°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯復(fù)合陶瓷。
[0069]實(shí)施例3
[0070]將100g3mm碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散22小時(shí)后取出在50°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的碳纖維與350g質(zhì)量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結(jié)劑混合，在175°C攪拌1.5小時(shí)，得到第一混合料。將第一混合料、1800g氧化鋯及200g氧化鈰混合，加熱到180°C，攪拌4小時(shí)，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時(shí)除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑的生坯在1490°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯復(fù)合陶瓷。
[0071]實(shí)施例4
[0072]將100g3mm短切碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散22小時(shí)后取出在50°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的短切碳纖維與400g質(zhì)量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結(jié)劑混合，在175°C攪拌1.5小時(shí)，得到第一混合料。將第一混合料、1800g氧化鋯及200g氧化鎂混合，加熱到180°C，攪拌4小時(shí)，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時(shí)除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑的生坯在1490°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯復(fù)合陶瓷。 [0073]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋯復(fù)合陶瓷，其特征在于，包括氧化鋯、穩(wěn)定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩(wěn)定劑均勻混合，所述氧化鋯復(fù)合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
2.如權(quán)利要求1所述氧化鋯復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩(wěn)定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
3.如權(quán)利要求1所述氧化鋯復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
4.一種氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 將I~5_的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時(shí)后取出干燥,使所述碳纖維表面形成油酸薄膜； 將干燥后的碳纖維與粘結(jié)劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時(shí)，得到第一混合料；將所述第一混合料、氧化鋯及穩(wěn)定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時(shí)，破碎，得到第二混合料； 將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯； 將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時(shí)后取出； 將在萃取劑中浸泡過(guò)的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結(jié)劑； 在CH4氣體氛圍中，將除去粘結(jié)劑后的生坯在1450~1490°C燒結(jié)，得到所述氧化鋯復(fù)合陶瓷。
5.如權(quán)利要求4所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述在500°C，400Pa真空度下除去粘結(jié)劑的條件具體為:以0.6~0.8°C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.40C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17~0.25°C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。
6.如權(quán)利要求4所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)的條件為:以1.08~2V /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2V /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
7.如權(quán)利要求4所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
8.如權(quán)利要求5所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述油酸與所述碳纖維的質(zhì)量比為10:1。
9.如權(quán)利要求5所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為:質(zhì)量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物；所述粘結(jié)劑與所述碳纖維的質(zhì)量比為4:1~3:1。
10.如權(quán)利要求5所述氧化鋯復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩(wěn)定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
【文檔編號(hào)】C04B35/80GK103771893SQ201310362419
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】王明明 申請(qǐng)人:深圳市商德先進(jìn)陶瓷有限公司