[發(fā)明專利]一種適合制備高強度高韌性釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯陶瓷的粉體材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410508409.4
• 申請日: 2014-09-28
• 公開（公告）號: CN104291816A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉琪;沈志堅;劉志;毛翔鵬;胡禮軍
• 申請（專利權(quán)）人: 江西賽瓷材料有限公司;杭州而然科技有限公司
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/64
• 代理公司: 廣州廣信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44261
• 代理人: 李玉峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于制備四方多晶氧化鋯陶瓷的粉體材料及其制備方法。

背景技術(shù)

氧化鋯陶瓷是一種高性能結(jié)構(gòu)材料，因具有良好的力學(xué)性能而被稱為“陶瓷鋼”，但氧化鋯的晶相變化又十分特殊，即在1100℃左右發(fā)生四方相-單斜相轉(zhuǎn)變，并且該晶相轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生顯著的體積變化，這對氧化鋯陶瓷十分不利，極易發(fā)生開裂，無法獲得完整的制品。為避免這種情況，現(xiàn)有技術(shù)采取將氧化鋯的四方相-單斜相轉(zhuǎn)變溫度降低至室溫以下的方法，即在室溫下便可得到穩(wěn)定存在的四方相氧化鋯，從而保證了材料的強度性能。

降低相轉(zhuǎn)變溫度的措施主要是添加特定氧化物進行摻雜。通過摻雜物與氧化鋯形成亞微米級的固溶體晶粒，改變其晶胞參數(shù)，提高晶格中的缺陷濃度，產(chǎn)生“釘扎效應(yīng)”，從而阻止四方相-單斜相的相轉(zhuǎn)變。目前常用的摻雜元素有釔、鈣、鎂、鈧和鈰等，其中釔的使用最為廣泛。現(xiàn)有技術(shù)中，在氧化釔添加量低于3mol％時，氧化鋯陶瓷中為四方相與單斜相共存，形成部分穩(wěn)定氧化鋯，其強度低、韌性差，甚至?xí)l(fā)生開裂，不適合作為高端結(jié)構(gòu)材料和生物材料使用；在氧化釔添加量大于等于3mol％時，氧化鋯陶瓷為單一的四方相結(jié)構(gòu)，具有極高的力學(xué)強度。為此，實際生產(chǎn)應(yīng)用中，國內(nèi)外的廠商均是以添加3mol％氧化釔，作為TZP(Tetragonal?Zirconia?Polycrystalline，四方氧化鋯多晶體)材料用粉的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，簡稱3Y-TZP材料。目前，3Y-TZP材料已大規(guī)模應(yīng)用在光纖連接器用插芯和套管、全鋯瓷牙齒、磨介、手表瓷、陶瓷刀等行業(yè)。

雖然上述氧化鋯粉體的研究成果為其應(yīng)用和發(fā)展起到了有效的推動作用，但是隨著粉體制備技術(shù)的快速發(fā)展，3Y-TZP陶瓷的性能并沒有顯著提高，反而存在著性能退化的問題；尤其是斷裂韌性反而逐漸下降，常見產(chǎn)品只有不到7MPa·m^1/2，這種現(xiàn)象至今無法解釋和解決。因此目前的氧化鋯材料已難以適應(yīng)當(dāng)前越來越高的應(yīng)用需求，也不利于氧化鋯粉體技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合制備高強度高韌性釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯陶瓷的粉體材料，以便使用該粉體材料制備的TZP陶瓷既能在室溫下實現(xiàn)全四方相氧化鋯的穩(wěn)定存在、同時又具有良好的強度和韌性指標(biāo)，而且還能大幅減少稀土材料氧化釔的使用，可以更好地促進氧化鋯材料技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。本發(fā)明的另一目的在于提供上述粉體材料的制備方法，以提供先進可靠的工藝，容易地實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，且便于推廣和應(yīng)用，從而適宜于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

本發(fā)明提供的一種適合制備高強度高韌性釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯陶瓷的粉體材料，由氧化鋯和氧化釔組成；所述氧化釔的含量為Zr⁴⁺總量的1.4～2.6mol％；所述粉體材料原晶平均粒徑為50～110nm。

本申請發(fā)明人通過多年的探索研究和生產(chǎn)實踐，認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)添加3mol％氧化釔的3Y-TZP材料中晶粒細(xì)化后的四方相過于穩(wěn)定，缺少可用于應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌的四方相，從而導(dǎo)致性能退化，韌性難以提高，相反有明顯下降。同時認(rèn)為，氧化釔的穩(wěn)定作用可以與材料的晶粒尺寸產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，降低材料的晶粒尺寸可以減少氧化釔的添加量，但并不破壞TZP中四方相的平衡；而且，減少氧化釔的添加量可活化TZP中的四方相，使之在受到外力時可發(fā)生相變，為TZP材料提供相變增韌，從而明顯提高TZP材料的斷裂韌性。為此，本發(fā)明提出上述技術(shù)方案，在保證其高強度的同時優(yōu)化提高材料斷裂韌性等性能。

上述方案中，本發(fā)明所述粉體材料以氧氯化鋯和氧化釔為原料，經(jīng)水解-水熱反應(yīng)、煅燒、破碎制得。為進一步保證高強度高韌性四方多晶氧化鋯陶瓷相結(jié)構(gòu)及高性能的獲得，本發(fā)明破碎后制得的粉體材料其二次粒子平均粒徑為160～180nm。所述粉體材料的晶相結(jié)構(gòu)為四方相與單斜相共存，其中四方相的含量為15～40wt％。

本發(fā)明所述粉體材料經(jīng)燒結(jié)(通常情況下1350℃以上即可燒結(jié)，如使用SPS等特殊工藝，燒結(jié)溫度可低至1100℃)而獲得燒結(jié)體即氧化鋯陶瓷，其燒結(jié)體的相結(jié)構(gòu)為100％四方相，既能在室溫下實現(xiàn)全四方相氧化鋯的穩(wěn)定存在，從而保證其高強度的特點，同時減少了釔的摻雜量，進一步優(yōu)化了氧化鋯的斷裂韌性等而獲得高性能的四方多晶氧化鋯陶瓷。本發(fā)明所述粉體材料其燒結(jié)體的晶粒尺寸為150～300nm，密度為6.06～6.10g/cm³，抗折強度為1100～1300MPa，斷裂韌性為8.6～13.5MPa·m^1/2。