[發(fā)明專利]一種氧化鋯陶瓷基復合材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910015336.4
• 申請日: 2009-05-21
• 公開（公告）號: CN101565306A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發(fā)明（設計）人: 李嘉;溫雨;師瑞霞;孫富升;張宗見
• 申請（專利權(quán)）人: 濟南大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/71;C04B35/622
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所
• 代理人: 李桂存

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧化鋯陶瓷基復合材料及其制備方法，屬于氧化鋯基陶瓷材料技 術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

四方氧化鋯(TZP)陶瓷是陶瓷材料中室溫力學性能最高的一種材料，TZP材料 除了陶瓷材料固有的脆性之外，材料的強度和韌性隨溫度上升而急劇下降。加之低溫 老化、較差的抗熱震性能等缺點大大削弱了其競爭優(yōu)勢，限制了它的規(guī)模開發(fā)和應用。 陶瓷的本征脆性決定了陶瓷材料的韌化成為陶瓷研究中的一個核心問題，目前陶瓷韌 化的方式主要有相變增韌、纖維(晶須)增韌、顆粒增韌以及復合增韌。其中，顆粒 增韌是陶瓷增韌最簡單的一種方法，具有同時提高強度和韌性等許多優(yōu)點。這些增韌 方式使得陶瓷基復合材料在韌性和強度上較單相陶瓷有了明顯改善。但是目前各種增 韌補強的方法還存在不少缺點，例如金屬增強會降低陶瓷的高溫性能和化學穩(wěn)定性； 纖維、晶須增韌出現(xiàn)分散困難、成本較高、性能不穩(wěn)定等問題。除了陶瓷材料韌性低 以外，難加工、高成本等缺點也是制約著結(jié)構(gòu)陶瓷的大規(guī)模應用的原因。研究開發(fā)綜 合性能優(yōu)異的新型陶瓷基復合材料是目前這一領(lǐng)域的未來研究方向。

鑒于此，用與TZP陶瓷具有良好化學相容性、熱膨脹系數(shù)相差不多、具有較高韌 性和強度的材料與TZP復合成為提高材料綜合性能的關(guān)鍵。從復合材料的設計角度考 慮，任何的一種單相，均不可能同時改善TZP基體的所有缺陷，復合相的選取是權(quán)宜 之計。

利用鈮基金屬間化合物的高溫強度、高溫蠕變和抗氧化耐腐蝕性能優(yōu)于大部分金 屬材料、韌性優(yōu)于陶瓷材料的特性，并根據(jù)Nb-Ti-Cr較ZrO₂高的熱膨脹系數(shù)、較高的 熱導率及金屬間化合物所特有的在一定溫度范圍內(nèi)強度隨溫度升高的特性，可望在增 韌的同時改善ZrO₂的抗熱震性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高強韌、抗熱震及導電性 能的新型氧化鋯陶瓷基復合材料。

本發(fā)明還提供了上述復合材料的制備方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

所述的氧化鋯陶瓷基復合材料，由四方氧化鋯作為基體，Nb-Ti-Cr相作為增韌 相；基體和增韌相所占的體積分數(shù)各為20～80％，基體和增韌相所占體積分數(shù)之和為 100％。增韌相中，Nb粉、Ti粉、Cr粉按照Nb、Ti、Cr原子的物質(zhì)的量之比為50∶ 37∶23的比例進行混合。

所述的氧化鋯陶瓷基復合材料的制備方法，主要包括以下步驟：

(1)將Nb粉、Ti粉、Cr粉按比例混合，在氮氣氣氛下進行球磨，球磨時間為20～60h， 磨機轉(zhuǎn)速為360r/min，球磨后得到粒度為200～500nm的增韌相粉體；

(2)將氧化鋯粉體與增韌相粉體按比例混合，在氮氣氣氛下進行球磨，球磨時間為 0.5～1h，磨機轉(zhuǎn)速為100r/min；

(3)將上述球磨后的混合粉末進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250～1450℃，升溫速率為 25～50℃/min，真空度為3×10^-3Pa，保溫時間30～60min，壓力25～40MPa，即得本 發(fā)明的產(chǎn)品。

為提高產(chǎn)品的性能，所述氧化鋯粉體為四方相，粒度為10～40nm；所述Nb粉、 Ti粉、Cr粉的粒度為2000～8000nm。所述步驟(3)中混合粉末在500℃除氣30～60min。

本發(fā)明選取的增韌相與TZP陶瓷具有良好化學相容性、熱膨脹系數(shù)相差不 多。隨著增韌相含量的增加，復合材料的相對密度增大，斷裂韌性明顯提高，增 韌相Nb-Ti-Cr的加入使復合材料的抗熱震性能明顯提高，抗彎強度與Nb-Ti-Cr 含量的關(guān)系不甚明顯，硬度隨著Nb-Ti-Cr含量的增加呈緩慢下降。

本發(fā)明的有益效果是：通過優(yōu)化設計，巧妙地利用Nb基金屬間化合物“半 陶瓷”特性，集陶瓷的硬度、高溫性能與增韌相的韌性、導電性于一體。與目前 常用的貴重的Ti、Ni、Mo等戰(zhàn)略元素金屬增韌陶瓷相比，該材料具有更優(yōu)異的 高溫力學、抗氧化性能和低廉的成本；與纖維晶須增韌陶瓷相比較，增韌效果接 近，但制備工藝簡單，成本低，且導電性能遠優(yōu)于前者。

本發(fā)明選取適宜的復合相，著重改善TZP材料的室、中溫力學性能及抗熱震 性能等，拓寬了其應用范圍，在機械、電子、石油、化工、航天、紡織、精密測 量儀器、精密機床、生物工程和醫(yī)療器械等行業(yè)有著廣泛的應用前景。

附圖說明