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谈谈纳米氧化锆复合陶瓷粉体

发布时间:2019-01-10      点击:

氧化锆是20世纪70年代发展起来的新型结构陶瓷材料,由于具有耐磨损、耐腐蚀、强度大、熔点高等特性,在冶金、电子、化工、机械等领域有着广泛的应用。在不同条件下,氧化锆有三种不同的晶型存在:立方相(c-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和单斜相(m-ZrO2)以上3种晶型存在于不同的温度范围,并可以相互转化。

 

 

 

1  氧化锆晶体结构(左:立方相;中:四方相;右:单斜相)

 

氧化锆陶瓷材料作为先进陶瓷中最重要的一类材料,是现代高新技术产业发展重要基础材料。尤其是纳米氧化陶瓷以其特殊的结构和性能,已成为产业关注的热点。下面小编简要就制备纳米氧化锆陶瓷所需的粉体材料进行介绍。

1Ni-P包覆纳米氧化锆复合粉体

Ni-P包覆纳米氧化锆复合粉体制备工艺过程是首先利用化学沉淀法制备了纳米ZrO2粉体,然后采用化学镀方法制备了Ni-P包覆纳米ZrO2粉体。由于ZrO2在化学镀镍溶液中不具备自催化活性,必须对ZrO2纳米粒子进行前处理,一般采用一步钯催化法,Pd2+直接吸附在ZrO2粉体表面上,然后在还原性溶液中将Pd2+还原成金属钯,这样的纳米粉体表面就具有了化学镀镍所具有的催化活性。一般对于非导电性能的粉体预处理过程采用敏化活化两步法。但是两步法处理后,残留在粉体中的亚镍离子很难除去,常常给粉体的活性带来不利影响,目前用一步钯催化法和原位钯等预处理。 

目前,Ni-P包覆纳米氧化锆复合粉体制备的陶瓷材料在半导体纳米材料中得到越来越广泛的应用和研究。

 

2  Ni-P包覆纳米氧化锆复合粉体SEM

 

2、氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合粉体

氧化锆增韧氧化铝陶瓷是目前人们研究最广泛的结构陶瓷材料之一。氧化锆增韧氧化铝陶瓷的增韧机理是基体晶粒的细化、相变韧化、微裂纹增韧、裂纹的转向与分叉。氧化锆增韧氧化铝陶瓷的性能主要由其在烧结过程中形成的显微结构,而显微结构又主要由原料的粉体状态来决定,所以有目的地进行粉体制备和粉体性能调控、处理,以制备优质Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷粉体是制备性能优异氧化锆增韧氧化铝陶瓷的前提 Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷粉体制备方法主要有机械混合法、多相悬浮液混合法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法等。

名  称

工艺过程

优  点

缺  点

机械混合法

一般以工业纯的Al2O3 粉体、苏州土、碳酸钠、(1.5Y4Ce)— ZrO2为原料,通过球磨方法制备陶瓷复合粉体。

工艺直接简单、成本低。

不能保证多相组成的均匀分散,制备的复合陶瓷存在较高的气孔率使材料的机械性能下降。

多相悬浮液混合法

ZrCl4、氨水为原料制得ZrOH4,煅烧得到ZrO2,以HNO3为稳定剂制成ZrO2悬浮液,再将工业Al2O3制备成稳定分散的悬浮液,分别经过球磨处理,按一定比例混合、过滤、干燥制成85%质量分数 Al2O3-15%质量分数 ZrO2。

制备的复合陶瓷粉体粒径分布均匀,有利于后续陶瓷的烧结工艺。

研究多相固体共同悬浮,共同絮聚的条件、工作难度较大。

溶胶-凝胶法

以无机盐硝酸氧锆 ZrONO32。2H2O,硝酸铝AlNO33.9H2O为主要原料,用溶胶-凝胶法制备出50%质量分数Al2O3-50%质量分数ZrO2纳米复合陶瓷粉体。

纳米复合粉体粒度小,分布窄,纯度高。

处理过程时间长,对健康有害且形成胶粒及凝胶过滤、洗涤过程不易控制。

化学沉淀法

ZrOCl2·8H2ONH4OH、铝盐、高分子分散剂为主要原料,通过化学反应在溶液制备Al2O3/ZrO2纳米复合陶瓷粉体。

制备的复合粉体粒径小,且由于加入了分散剂,粉体分散性较好。

制备时间较长,且工艺过程不易控制

 

氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷系统中,氧化铝是一种高强度的基体,填隙的氧化锆提供相变增韧机制,利用ZrO2的相变特性对陶瓷材料进行增韧仍是今后陶瓷增韧研究的主要课题之一 。

 

氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷具有优良的抗腐蚀性、抗热振性、较高的强度和韧性,具有广泛的应用前景。用氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷可以制作陶瓷刀具用来实现对铸铁和合金的加工,还可以制成工程陶瓷的界面结构,以延长工程材料的使用寿命,用氧化锆增韧氧化铝可以制成耐磨瓷球,因为氧化铝陶瓷材料具有良好的生物相容性,还可以作为生物医用材料,用于硬组织(牙齿)的重建和修复。

 

3、氮化硼-氧化锆复合粉体

氮化硼-氧化锆复合粉体制备是利用机械混合法,以氮化硼氧化锆和添加助剂为主要原料,经混合配料后在酒精介质中球磨混料,干燥后制备得到复合粉体。其后装模在热压烧结炉中烧成氮化硼氧化锆复合陶瓷纯氮化硼本身烧结能力差,难以烧结致密化一般情况下需添加CaOB2O3Al2O3ZnO等作为烧结助剂

 

3  氮化硼-氧化锆复合陶瓷 

氮化硼-氧化锆复合陶瓷具有高强度、高韧性、高导热、低膨胀,以及具备与熔融金属呈现化学惰性、化学腐蚀性等优良的物化性能,另外,产品还具有优良的抗热震、抗侵蚀、耐磨性和易加工等性能,使得该材料可适用于薄带连铸侧封板、喷射成形导液管、金属喷丝用喷嘴、连铸功能耐火材料等多个领域。

 

4t-ZrO2 -TiN纳米复合粉体

t-ZrO2 -TiN纳米复合粉体是利用化学沉淀法以ZrOCl2·8 H2OYNO3·6 H2OTiSO42为原料,以氨水作沉淀剂,经化学共沉淀得到ZrO2-TiO2-Y2O3系统的水合氢氧化物胶体。除去杂质离子脱水后经高温煅烧从而获得t-ZrO2 -TiO-Y2O3细粉,采用氨气还原氮化法,在流动的氨气氛下原位反应生成氮化钛,同时保持四方相氧化锆含量和结构不变,通过高温下选性氮化反应即可得到产物,经表征氮化后复合粉体中t-ZrO2的粒径为5070nm,氮化效果可达到98%以上。

TiN与绝大部分重要的工程陶瓷材料都有良好的相容性,将TiN引入四方多晶氧化锆材料中,利用 TiN的高熔点,高硬度来提高材料的耐磨性能和硬度并能起到补强增韧的效果还可以利用TiN的高导电性,采用电火花加工技术将材料加工成复杂形状的器件。

5、纳米铈锆复合氧化物粉体

纳米铈锆复合氧化物粉体制备方法主要有高温焙烧法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和固相反应法等。高温焙烧法是在在水-乙醇溶剂中,由干燥的AlNO33·9H2 O·CeNO33·6H2O和单斜相二氧化锆纳米粉体组成的悬浮液,经高温热分解,制备出了粒度小于100μmAl2O3掺杂CeO2包覆单斜相二氧化锆复合粉体。

 

纳米铈锆氧化物材料应用于汽车尾气处理

 

纳米铈锆复合氧化物材料作为助催化剂使用,主要用于汽车领域尾气处理,具备高温稳定性好、高氧化还原能力、高储氧放氧能力。

参考文献:

1、柴枫,徐凌,廖运茂等,氧化锆增韧的纳米复合渗透陶瓷粉体的合成研究,临床口腔医学。

2、黄向东,翟华嶂,李建保等,选择性氮化法制备 t-ZrO2-TiN纳米复合粉体,硅酸盐学报。
文章来源“粉体圈”

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