热爆燃烧合成制备铁磁性氧化铝基金属陶瓷的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种利用热爆燃烧合成制备具有铁磁性的氧化铝基金属陶瓷的制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷由于其原料的丰富、性能的优越而成为应用最广的工程材料。以氧化铝作为基体材料，通过添加延性金属形成氧化铝基金属陶瓷材料，可以在改善氧化铝基体脆性的同时，发挥氧化铝基体高强、高硬、低密度和优良的化学稳定性特点，拓展氧化铝陶瓷的应用范围。通过在氧化铝基体中复合具有功能特性(磁性能、介电性能等)的第二相金属颗粒，可以在改善氧化铝基体力学性能及成型性能的同时，形成兼具力学性能与功能特性的新型高性能材料，以满足高温、高腐蚀等恶劣工况场合的应用。
金属陶瓷的制备方法主要有粉末烧结法、浸渍法和热压法等，这三种工艺都经历了一个烧结的阶段。利用基于铝热反应的热爆燃烧合成制备技术在制备氧化铝基金属陶瓷的过程中具有反应迅速、工艺简单、生产效率高等优势，特别在反应成型过程中改变了传统烧结工艺耗时长、能耗高的特点，是一种高效的制备技术。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种热爆燃烧合成制备铁磁性氧化铝基金属陶瓷的制备方法，通过本发明可以获得致密的、具备铁磁性的氧化铝基金属陶瓷材料。
本发明采用如下技术方案：
步骤1：以Al-Co2O3和Al-NiO中的一种或两种作为反应体系，在Al-Co2O3或者Al-NiO中加入稀释剂及助燃剂，得到混合粉末，所述Al-Co2O3或者Al-NiO与稀释剂的加入量之质量比为1∶1-1.6，所述的稀释剂为Al2O3和Ni中的一种或两种，添加的助燃剂为聚四氟乙烯，其加入量为Al质量的1-2％。
步骤2：将混合粉末通过球磨、干燥、研磨后，混合粉末的平均粒径为1.5-1.8μm，通过压坯获得相对密度60-70％的预制块，将预制块置入石墨铸型，通过电阻炉对石墨铸型进行整体加热至热爆反应发生，施加轴向压力1.2-1.5MPa，获得致密度95-96％的铁磁性氧化铝基金属陶瓷。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、原料丰富，成本较低，制备设备简单。
2、制备过程迅速，能源消耗少，产物相界面清洁，杂质含量低。
3、在热爆反应高放热条件下，通过较低的压力就能获得致密的氧化铝基金属陶瓷。
4、通过金属Co、Ni和Co-Ni合金复合到氧化铝基体中，可以在提高氧化铝陶瓷的力学性能的同时获得铁磁性，拓展氧化铝基金属陶瓷的应用范围。
【附图说明】
图1热爆合成装置示意图。
图2Al2O3-Co金属陶瓷SEM图。
图3Al2O3-Co金属陶瓷XRD图。
图4Al2O3-Co金属陶瓷基体能谱图。
图5Al2O3-Co金属陶瓷金属相能谱图。
图6Al2O3-Co金属陶瓷磁滞回线图。
图7通过加入Ni粉合成的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷SEM图。
图8通过加入Ni粉合成的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷XRD图。
图9通过加入Ni粉合成的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷基体能谱图。
图10通过加入Ni粉合成的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷金属相能谱图。
图11通过加入Ni粉合成的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷磁滞回线图。
图12通过反应生成Co-50Ni的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷SEM图。
图13通过反应生成Co-50Ni的A12O3-(Co-50Ni)金属陶瓷XRD图。
图14通过反应生成Co-50Ni的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷基体能谱图。
图15通过反应生成Co-50Ni的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷金属相能谱图。
图16通过反应生成Co-50Ni的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷磁滞回线图。
【具体实施方式】
一种热爆燃烧合成制备铁磁性氧化铝基金属陶瓷的制备方法：
步骤1：以Al-Co2O3和Al-NiO中的一种或两种作为反应体系，在Al-Co2O3或者Al-NiO中加入稀释剂及助燃剂，得到混合粉末，所述Al-Co2O3或者Al-NiO与稀释剂的加入量之质量比为1∶1-1.6，本实施例可以选用1∶1、1∶1.6或1∶1.2，所述的稀释剂为Al2O3和Ni中的一种或两种，添加的助燃剂为聚四氟乙烯，其加入量为Al质量的1-2％，本实施例可以选用1％、2％或1.4％，
步骤2：将混合粉末通过球磨、干燥、研磨后，混合粉末的平均粒径为1.5-1.8μm，具体来说，所述混合粉末的平均粒径为1.5、1.7或1.8μm，通过压坯获得相对密度60-70％的预制块，将预制块置入石墨铸型，通过电阻炉对石墨铸型进行整体加热至热爆反应发生，施加轴向压力1.2-1.5MPa，本实施例可以选用1.2、1.3或1.5MPa，获得致密度95-96％的铁磁性氧化铝基金属陶瓷。
本发明利用热爆燃烧合成制备铁磁性氧化铝基金属陶瓷的工艺如下：
1、通过反应体系成分设计，获得反应物配比，稀释剂添加量，理论条件下反应体系绝热温度控制在金属沸点与氧化铝熔点之间，保证体系反应充分但不剧烈，样品不发生飞溅。
2、按照工艺1得到的反应物配比和稀释剂添加量称量反应粉末，同时加入聚合物聚四氟乙烯作为助燃剂，以无水乙醇作为助磨剂，使用氧化铝球磨罐进行球磨6-8小时，球磨速度300r/min。
3、球磨后获得地浆料置入干燥皿，在不高于70℃的条件下真空干燥4小时，获得的干燥粉末置入研钵研磨均匀。
4、将干燥粉末在压机上进行压坯，压力50MPa，获得Φ20mm×10mm圆柱体预制块，相对密度60-70％。
5、预制块顶部钻小孔用于放置热电偶测温，将预制块置于石墨铸型中，通过石墨冲头提供轴向压力。
6、通过电阻炉整体加热，利用温度检测仪实时观察预制块温度变化，当温度曲线快速爬升时，热爆反应发生，轴向压力1.2-1.5MPa通过石墨冲头作用于反应样品，石墨冲头中部留有排气通道，样品中的残余气体可通过排气通道向外逃逸。反应结束后，保压10秒，移除压力装置，样品从铸型中取出空冷，获得成品。
实施例1：以Al粉、Co2O3粉作为反应原料，Al2O3粉末作为稀释剂，添加Al粉质量的2％聚四氟乙烯粉末作为助燃剂，配成反应粉末。通过成分设计，可以得到Co质量分数25-30％的Al2O3-Co金属陶瓷。将反应粉末进行球磨，干燥，研磨后，压制成Φ20mm×10mm圆柱体预制块，初始相对密度60％。将预制块置入石墨铸型，放入加热炉内，以1.53℃/s的速度从室温开始加热。在680℃发生热爆反应，在反应瞬间施加轴向压力1.2-1.5MPa，保压10秒后，取出样品空冷。如图2所示，金属Co颗粒尺寸不超过10μm，均匀弥散分布在基体中，获得的样品经过测试，致密度超过95％，饱和磁化强度42emu/g，矫顽力61Oe。
实施例2：以Al粉、Co2O3粉作为反应原料，Al2O3粉末作为稀释剂，同时加入Ni粉用于和反应生成的Co形成Co-Ni合金，同时兼顾作为反应稀释剂，添加Al粉质量的2％聚四氟乙烯粉末作为助燃剂，配成反应粉末。通过成分设计，可以得到Co-Ni合金质量分数40-45％的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷。将反应粉末进行球磨，干燥，研磨后，压制成Φ20mm×10mm圆柱体预制块，初始相对密度60％。将预制块置入石墨铸型，放入加热炉内，以1.53℃/s的速度从室温开始加热。在910℃发生热爆反应，在反应瞬间施加轴向压力1.2-1.5MPa，保压10秒后，取出样品空冷。如图7所示，合成的Co-50Ni合金在压力作用下，渗入基体空隙中，形成网络状分布，获得的样品经过测试，致密度超过96％，饱和磁化强度48emu/g，矫顽力12Oe。
实施例3：本实施例是以Al-Co2O3和Al-NiO作为反应体系，具体来说，以Al粉、Co2O3粉和NiO粉作为反应原料，Al2O3粉末作为稀释剂，添加Al粉质量的2％聚四氟乙烯粉末作为助燃剂，配成反应粉末。通过Al-Co2O3和Al-NiO两个铝热反应得到Co-Ni合金。通过成分设计，可以得到合金质量分数25-30％的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷。将反应粉末进行球磨，干燥，研磨后，压制成Φ20mm×10mm圆柱体预制块，初始相对密度60％。将预制块置入石墨铸型，放入加热炉内，以1.53℃/s的速度从室温开始加热。在890℃发生热爆反应，在反应瞬间施加轴向压力1.2-1.5MPa，保压10秒后，取出样品空冷。如图12所示，反应生成的Co-50Ni合金形状不规则，尺寸不超过10μm，均匀弥散分布在基体中，获得的样品经过测试，致密度超过96％，饱和磁化强度30emu/g，矫顽力29Oe。
实施例4：以Al粉、NiO粉作为反应原料，Al2O3粉末作为稀释剂，添加Al粉质量的2％聚四氟乙烯粉末作为助燃剂，配成反应粉末。通过成分设计，可以得到Ni质量分数25-30％的Al2O3-Ni金属陶瓷。将反应粉末进行球磨，干燥，研磨后，压制成Φ20mm×10mm圆柱体预制块，初始相对密度60％。将预制块置入石墨铸型，放入加热炉内，以1.53℃/s的速度从室温开始加热。发生热爆反应后，在反应瞬间施加轴向压力1.2-1.5MPa，保压10秒后，取出样品空冷。金属Ni颗粒尺寸不超过10μm，均匀弥散分布在基体中，获得的样品经过测试，致密度超过95％。
实施例5：以Al粉、NiO粉作为反应原料，Ni粉末作为稀释剂，添加Al粉质量的2％聚四氟乙烯粉末作为助燃剂，配成反应粉末。通过成分设计，可以得到Ni质量分数45-50％的Al2O3-Ni金属陶瓷。将反应粉末进行球磨，干燥，研磨后，压制成Φ20mm×10mm圆柱体预制块，初始相对密度60％。将预制块置入石墨铸型，放入加热炉内，以1.53℃/s的速度从室温开始加热。发生热爆反应后，在反应瞬间施加轴向压力1.2-1.5MPa，保压10秒后，取出样品空冷。金属Ni颗粒尺寸在15-20μm，均匀分布在基体中，获得的样品经过测试，致密度超过95％。
参照图1，1、炉体，2、试样，3、压力冲头，4、排气孔，5、石墨铸型，6、上石墨垫块，7、下石墨垫块。
参照图2，实施例1中制备得到的Al2O3-Co金属陶瓷的SEM图显示金属Co相尺寸平均不超过10μm，均匀弥散分布在基体中。
参照图3，实施例1中制备得到的Al2O3-Co金属陶瓷的XRD图显示产物的组成相主要为Al2O3、α-Co和β-Co。
参照图4，实施例1中制备得到的Al2O3-Co金属陶瓷基体相的能谱图显示基体相的组成元素是Al和O。
参照图5，实施例1中制备得到的Al2O3-Co金属陶瓷金属相的能谱图显示金属相为纯Co。
参照图6，实施例1中制备得到的Al2O3-Co金属陶瓷的磁滞回线图显示Al2O3-Co金属陶瓷具有铁磁性，饱和磁化强度30emu/g，矫顽力29Oe。
参照图7，实施例2中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的SEM图显示Co-50Ni合金在压力作用下，渗入基体空隙中，形成网络状分布。
参照图8，实施例2中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的XRD图显示产物的组成相主要为Al2O3和Co-Ni合金。
参照图9，实施例2中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷基体相的能谱图显示基体相的组成元素是Al和O。
参照图10，实施例2中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷金属相的能谱图显示金属相组成元素是Co和Ni。
参照图11，实施例2中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的磁滞回线显示Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷具有铁磁性，饱和磁化强度48emu/g，矫顽力12Oe。
参照图12，实施例3中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的SEM图显示反应生成的Co-50Ni合金形状不规则，尺寸不超过10μm，均匀弥散分布在基体中。
参照图13，实施例3中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的XRD图显示产物的组成相主要为Al2O3和Co-Ni合金。
参照图14，实施例3中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷基体相的能谱图显示基体相的组成元素是Al和O。
参照图15，实施例3中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷金属相的能谱图显示金属相组成元素是Co和Ni。
参照图16，实施例3中制备得到的Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷的磁滞回线显示Al2O3-(Co-50Ni)金属陶瓷具有铁磁性，饱和磁化强度30emu/g，矫顽力29Oe。