一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法.pdf

一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：以铝矾土粉体和微米级的SiC颗粒为主要原料，经湿式混合、干燥、预煅烧，然后成型后进行埋烧，在1400～1550℃烧结，保温1小时，而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。本发明方法制备的复相陶瓷在氧化铝基体中原位分布着纳米SiC颗粒，并有少量的莫来石存在，此方法制备工艺简单，制得的复相陶瓷具有较高的性价比。

1.  一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：以铝矾土粉体和微米级的SiC颗粒为主要原料，经湿式混合、干燥、预煅烧，然后成型后进行埋烧，在1400～1550℃烧结，保温1小时，而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。

2.  根据权利要求1所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：
原料：氧化铝质量含量为80～90％的铝矾土粉体和平均粒径为1.5～5.0μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的5～10％；
制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在搅拌磨中球磨，混合均匀；干燥后的混合粉体预煅烧，预煅烧温度900～1050℃，保温2～6小时；将粉体成型后放入坩埚内埋烧，埋料粉体采用粒径范围为600-1200μmα-SiC，装有成型坯体的坩埚以350℃/h的升温速度快速升温至1200℃，然后以200℃/h的升温速度再升至1400～1550℃进行烧结，保温1小时，而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。

3.  根据权利要求2所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：在原料粉体按比例混合时加入占铝矾土粉体质量比为0.08％的分散剂甲基丙烯酸胺。

4.  根据权利要求1、2或3所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述原料：氧化铝质量含量为80％的铝矾土粉体和平均粒径为1.5μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的5％；
预煅烧温度为1050℃，保温4小时；烧结温度为1500℃，保温1小时。

5.  根据权利要求1、2或3所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述原料：氧化铝质量含量为80％的铝矾土粉体和平均粒径为2.5μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的8％；
预煅烧温度为1050℃，保温6小时；烧结温度为1530℃，保温1小时。

6.  根据权利要求1、2或3所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述原料：氧化铝质量含量为90％的铝矾土粉体和平均粒径为5.0μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的10％；
预煅烧温度为900℃，保温2小时；烧结温度为1550℃，保温1小时。

7.  根据权利要求1、2或3所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述原料：氧化铝质量含量为90％的铝矾土粉体和平均粒径为2.5μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的10％；
预煅烧温度为1050℃，保温6小时；烧结温度为1530℃，保温1小时。

8.  权利要求1所述的制备方法制备出的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷，其特征在于：
采用以下方法制备：原料：氧化铝质量含量为80～90％的铝矾土粉体和平均粒径为1.5～5.0μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的5～10％；
制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在搅拌磨中球磨，混合均匀；干燥后的混合粉体预煅烧，预煅烧温度900～1050℃，保温2～6小时；将粉体成型后放入坩埚内埋烧，埋料粉体采用粒径范围为600-1200μmα-SiC，装有成型坯体的坩埚以350℃/h的升温速度快速升温至1200℃，然后以200℃/h的升温速度再升至1400～1550℃进行烧结，保温1小时， 而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷；
所述的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷具有原位生长的纳米碳化硅，形成SiO₂包覆纳米SiC的颗粒，且在高温下被形成的少量莫来石包裹，碳化硅晶粒的尺寸为200～410nm，材料的弯曲强度为306～380MPa，断裂韧性为3.3～5.2MPa·m^1/2。

一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，属于工程陶瓷材料的制备技术领域。
背景技术
氧化铝陶瓷被认为是陶瓷材料中的“钢材”，在全球陶瓷市场中，其市场份额占75％以上。80-90瓷是指氧化铝质量含量为80-90％的氧化铝陶瓷，由80-90瓷制成的产品因其耐磨性、断裂韧性、弯曲强度及抗热震性等均较差，往往只作为中低档陶瓷产品材料。为此开展了氧化铝陶瓷的增韧增强的研究，主要采用氧化锆增韧和晶须或纳米颗粒增韧补强的方法。大量研究证实通过添加碳化硅晶须或纳米颗粒，不仅可以较大幅度提高氧化铝陶瓷的力学性能，同时还可以改善其抗热震性能，拓展其应用领域。但有关氧化铝/碳化硅复相陶瓷(或纳米陶瓷)的研究主要集中在高纯氧化铝陶瓷系统。即在高纯氧化铝(氧化铝含量往往在99％以上)中加入适量纳米SiC颗粒或者是SiC晶须，通过热压、常压气氛保护烧结制得烧结体，其烧结温度较高，通常在1650℃以上。该复相材料的性能较纯氧化铝相比，有较大幅度的提高，但由于对烧结设备要求高，需要气氛保护，产品的性/价比不突出，从而限制了该材料产品的开发与应用。
国内目前有关氧化铝/纳米(晶须)碳化硅复合陶瓷制备技术的专利主要有CN 1821175A、CN 101555142A和CN 101880163 A。中国专利CN 1821175A描述了一种碳化硅晶须/氧化铝复合陶瓷粉体的制备方法，以天然高岭土和炭源为原料，炭源为石墨或碳黑无机碳或高分子有机物，在气氛炉中抽真空后充入一个大气压的氢气做为保护气体，在1450℃～1550℃煅烧，获得碳化硅晶须/氧化铝纳米级、亚微米级复合粉。但没有介绍相关陶瓷的制备技术。专利CN 101555142A介绍了一种纳米碳化硅增韧氧化铝防弹陶瓷的制备方法，采用高纯氧化铝粉，添加质量分数为0.8～1.3％的高岭土和0.5～1.0％的烧滑石，再外加质量比为3～8％，粒度在10～30纳米的碳化硅粉末，采用注凝成型方法，在1650～1700℃烧结，可获得纳米碳化硅/氧化铝质复合陶瓷；纳米碳化硅是通过外加方式引入氧化铝基体中，因此很难分散均匀。国外相关专利包括：韩国专利KR9710308、世界专利WO0078690、日本专利JP8208318、欧洲专利EP0419150、美国专利4,657,877、4,746,635、4,749,667和5,455,212。日本专利JP8208318介绍了在氧化铝中加入体积分数为0.1-30vol.％SiC颗粒，通过气氛烧结制备Al₂O₃/SiC复相陶瓷的方法。其特点：将Al₂O₃/SiC复合粉末压制成坯体，在坯体周围放置平均粒径为3.0μm的Al₂O₃粉末和/或平均粒径为5.0μm的SiO₂和C粉末，坯体在Ar或N₂保护气氛下通过常压或更高压力下，于高温烧结。欧洲EP0419150是以氧化物或非氧化物为基体，分别加入体积分数为3～50％，粒径为5～20μm的SiC颗粒，或片状(板状)SiC，其平均粒径为5～50μm，厚度小于等于粒径的1/3。复合粉末混磨后于120℃干燥24小时，将粉末过筛、成型，在1400～1900℃、Ar气氛中常压烧结。材料的断裂韧性较基质氧化物陶瓷由较大幅度提高。欧洲专利0310342A2是以纯度大于99％的Al₂O₃为基体，分别加入直径小于0.5μm的SiC颗粒 或长度为1.0～5μm、长/径比小于3的SiC晶须。成型体在1400～1800℃经热等静压、热压或常压气氛烧结，可获得致密烧结体。美国专利4,657,877、4,746,635、4,749,667均以氧化铝或莫来石为基体，加入氧化锆和SiC晶须或颗粒，采用压力或气氛烧结制备Al₂O₃/ZrO₂/SiC复相材料。上述制备方法均以高纯氧化铝为基体，通过机械混合法加入SiC晶须或纳米颗粒，成型体采用常压、气氛保护或压力(热压、热等静压和气压等)烧结，制得致密烧结体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，以此方法制备的复相陶瓷在氧化铝基体中原位分布着纳米SiC颗粒，并有少量的莫来石存在，此方法制备工艺简单，制得的复相陶瓷具有较高的性价比。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷的制备方法，其特征在于：以铝矾土粉体和微米级的SiC颗粒为主要原料，经湿式混合、干燥、预煅烧，然后成型后进行埋烧，在1400～1550℃烧结，保温1小时，而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。
原料：氧化铝质量含量为80～90％的铝矾土粉体和平均粒径为1.5～5.0μm的微米级SiC；二者质量比例：SiC为铝矾土粉体的5～10％；
制备步骤：将上述原料粉体按比例混合后加水，在搅拌磨中球磨，混合均匀；干燥后的混合粉体预煅烧，预煅烧温度900～1050℃，保温2～6小时；将粉体成型后放入坩埚内埋烧，埋料粉体采用粒径范围为600-1200μmα-SiC，装有成型坯体的坩埚以350℃/h的升温速度快速升温至1200℃，然后以200℃/h的升温速度再升至1400～1550℃进行烧结，保温1小时，而后自然冷却至室温，制得高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷。
在制备过程中为使原料混合均匀，在原料粉体按比例混合时可加入占铝矾土粉体质量比为0.08％的分散剂甲基丙烯酸胺。
按照上述制备方法制备的高性能氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷具有原位生长的纳米碳化硅，形成SiO₂包覆纳米SiC的颗粒，且在高温下被形成的少量莫来石包裹，碳化硅晶粒的尺寸为200～410nm，材料的弯曲强度为306～380MPa，断裂韧性为3.3～5.2MPa·m^1/2。
本发明的优点在于采用A1₂O₃质量含量为80-90％的铝矾土和微米级的SiC粉末为原料，然后对混合后的复合粉料进行预烧，形成SiO₂包覆纳米SiC的颗粒，在高温下被形成的莫来石包裹。在烧成过程因少量空气进入坩埚氧化粗颗粒埋粉α-SiC和纳米SiC，一方面使纳米SiC颗粒进一步细化，同时在坩埚内形成还原气氛，整个烧结过程无需外加气氛保护。按此方法制得的氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷，具有强度和韧性较高、成本低的特点。
附图说明
图1为本发明于1500℃烧结、保温1小时，制得的氧化铝/纳米碳化硅陶瓷的XRD图谱。
图2为本发明于1500℃烧结、保温1小时，制得的氧化铝/纳米碳化硅陶瓷的电镜照片。
具体实施方式
以氧化铝质量含量为80～90％的铝矾土为主要原料，添加质量含量为5～10％，平均粒径为1.5～5.0μm的微米级SiC颗粒；将粉体湿式混合、干燥，在900～1050℃预煅烧2～6小时， 将粉体成型、埋烧，埋料粉体α-SiC的粒径范围为600-1200μm，将装有坯体的密封坩埚快速升温至1200℃，升温速度大于350℃/小时为宜，继续升温到1400～1550℃，升温速度为200℃/小时，保温1小时。可制得具有原位生长的纳米碳化硅增强的氧化铝复相陶瓷。材料的弯曲强度为306～380MPa，断裂韧性为3.3～5.2MPa·m^1/2。烧5～10炉后称α-SiC埋料质量，当埋料增重超过10％，需更换或替换部分α-SiC埋料，可保证产品质量的一致性。
实施例1：
精确称取质量含量为80％的铝矾土l千克，在铝矾土粉体中加入质量比为5％，平均粒径为1.5μm的SiC粉末50克。再加入1700ml蒸馏水，同时加入占粉体质量比为0.08％的甲基丙烯酸胺分散剂。将混合料在搅拌磨中球磨4小时，干燥后在1050℃预煅烧4小时，然后造粒、成型。将成型坯体放入坩埚中，用粒径范围为600-1200μm的α-SiC粉体埋覆坯体，盖紧坩埚盖；以350℃/h的速度快速升温至1200℃，继续以200℃/h的速度升温1500℃，保温1小时。而后自然冷却至室温，制得的氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷中有少量莫来石(如图1所示)，碳化硅晶粒的尺寸约为200nm(如图所示)，材料的平均弯曲强度为310±26MPa，平均断裂韧性为
3.3±0.48MPa·m^1/2。
实施例2：
精确称取质量含量为80％的铝矾土l千克，在铝矾土粉体中加入质量比为8％，平均粒径为2.5μm的SiC粉末80克。再加入1700ml蒸馏水，同时加入占粉体质量比为0.08％的甲基丙烯酸胺分散剂。将混合料在搅拌磨中球磨4小时，干燥后在1050℃预煅烧6小时，然后造粒、成型。将成型坯体放入坩埚中，用粒径范围为600-1200μm的α-SiC粉体埋覆坯体，盖紧坩埚盖；以350℃/h的速度快速升温至1200℃，继续以200℃/h的速度升温1530℃，保温1小时。而后自然冷却至室温，制得的氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷中有少量莫来石，碳化硅晶粒的尺寸约为220nm，材料的平均弯曲强度为360±33MPa，平均断裂韧性为5.2±0.53MPa·m^1/2。
实施例3：
精确称取质量含量为90％的铝矾土l千克，在铝矾土粉体中加入质量比为10％，平均粒径为5.0μm的SiC粉末100克。再加入1700ml蒸馏水，同时加入占粉体质量比为0.08％的甲基丙烯酸胺分散剂。将混合料在搅拌磨中球磨4小时，干燥后在900℃预煅烧2小时，然后造粒、成型。将成型坯体放入坩埚中，用粒径范围为600-1200μm的α-SiC粉体埋覆坯体，盖紧坩埚盖；以350℃/h的速度快速升温至1200℃，继续以200℃/h的速度升温1550℃，保温1小时。而后自然冷却至室温，制得的氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷中有少量莫来石，碳化硅晶粒的尺寸约为410nm，材料的平均弯曲强度为420±23MPa，平均断裂韧性为3.8±0.50MPa·m^1/2。
实施例4：
精确称取质量含量为90％的铝矾土l千克，在铝矾土粉体中加入质量比为10％，平均粒径为2.5μm的SiC粉末100克。再加入1700ml蒸馏水，同时加入占粉体质量比为0.08％的甲基丙烯酸胺分散剂。将混合料在搅拌磨中球磨4小时，干燥后在1050℃预煅烧6小时，然后造粒、成型。将成型坯体放入坩埚中，用粒径范围为600-1200μm的α-SiC粉体埋覆坯体，盖紧坩埚盖；以350℃/h的速度快速升温至1200℃，继续以200℃/h的速度升温1530℃，保温1小时。而后自 然冷却至室温，制得的氧化铝/纳米碳化硅复相陶瓷中有少量莫来石，碳化硅晶粒的尺寸约为240nm，材料的平均弯曲强度为440±26MPa，平均断裂韧性为4.6±0.49MPa·m^1/2。