一文了解納米氧化鋯復(fù)合陶瓷粉體

發(fā)布時(shí)間 | 2019-01-10 08:56 分類 | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 5411

干燥氮化硼氧化鋯氧化鋁納米材料

導(dǎo)讀：

氧化鋯是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于具有耐磨損、耐腐蝕、強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高等特性，在冶金、電子、化工、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在不同條件下，氧化鋯有三種不同的晶型存在：立方相（c-ZrO₂）)、四方相（t-ZrO₂）和單斜相（m-ZrO₂）以上3種晶型存在于不同的溫度范圍，并可以相互轉(zhuǎn)化。

圖1 氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)（左：立方相；中：四方相；右：?jiǎn)涡毕啵?/span>

氧化鋯陶瓷材料作為先進(jìn)陶瓷中最重要的一類材料，是現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要基礎(chǔ)材料。尤其是納米氧化陶瓷以其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，已成為產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。下面小編簡(jiǎn)要就制備納米氧化鋯陶瓷所需的粉體材料進(jìn)行介紹。

1、Ni-P包覆納米氧化鋯復(fù)合粉體

Ni-P包覆納米氧化鋯復(fù)合粉體制備工藝過(guò)程是首先利用化學(xué)沉淀法制備了納米ZrO₂粉體，然后采用化學(xué)鍍方法制備了Ni-P包覆納米ZrO2粉體。由于ZrO₂在化學(xué)鍍鎳溶液中不具備自催化活性，必須對(duì)ZrO₂納米粒子進(jìn)行前處理，一般采用一步鈀催化法，Pd²⁺直接吸附在ZrO₂粉體表面上，然后在還原性溶液中將Pd²⁺還原成金屬鈀，這樣的納米粉體表面就具有了化學(xué)鍍鎳所具有的催化活性。一般對(duì)于非導(dǎo)電性能的粉體預(yù)處理過(guò)程采用敏化- 活化兩步法。但是兩步法處理后，殘留在粉體中的亞鎳離子很難除去，常常給粉體的活性帶來(lái)不利影響，目前用一步鈀催化法和原位鈀等預(yù)處理。

目前，Ni-P包覆納米氧化鋯復(fù)合粉體制備的陶瓷材料在半導(dǎo)體納米材料中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和研究。

圖2 Ni-P包覆納米氧化鋯復(fù)合粉體SEM圖

2、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復(fù)合粉體

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷是目前人們研究最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的增韌機(jī)理是基體晶粒的細(xì)化、相變韌化、微裂紋增韌、裂紋的轉(zhuǎn)向與分叉。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的性能主要由其在燒結(jié)過(guò)程中形成的顯微結(jié)構(gòu)，而顯微結(jié)構(gòu)又主要由原料的粉體狀態(tài)來(lái)決定，所以有目的地進(jìn)行粉體制備和粉體性能調(diào)控、處理，以制備優(yōu)質(zhì)Al₂O₃/ZrO₂納米復(fù)合陶瓷粉體是制備性能優(yōu)異氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的前提。Al₂O₃/ZrO₂納米復(fù)合陶瓷粉體制備方法主要有機(jī)械混合法、多相懸浮液混合法、溶膠-凝膠法、化學(xué)沉淀法等。

名稱	工藝過(guò)程	優(yōu) 點(diǎn)	缺點(diǎn)
機(jī)械混合法	一般以工業(yè)純的Al₂O₃ 粉體、蘇州土、碳酸鈉、（1.5Y₄Ce）— ZrO₂為原料，通過(guò)球磨方法制備陶瓷復(fù)合粉體。	工藝直接簡(jiǎn)單、成本低。	不能保證多相組成的均勻分散，制備的復(fù)合陶瓷存在較高的氣孔率, 使材料的機(jī)械性能下降。
多相懸浮液混合法	以ZrCl₄、氨水為原料制得Zr（OH）₄，煅燒得到ZrO₂，以HNO₃為穩(wěn)定劑制成ZrO₂懸浮液，再將工業(yè)Al₂O₃制備成穩(wěn)定分散的懸浮液，分別經(jīng)過(guò)球磨處理，按一定比例混合、過(guò)濾、干燥制成85%質(zhì)量分?jǐn)?shù) Al₂O₃-15%質(zhì)量分?jǐn)?shù) ZrO₂。	制備的復(fù)合陶瓷粉體粒徑分布均勻，有利于后續(xù)陶瓷的燒結(jié)工藝。	研究多相固體共同懸浮，共同絮聚的條件、工作難度較大。
溶膠-凝膠法	以無(wú)機(jī)鹽硝酸氧鋯 ZrO（NO₃）₂.2H₂O，硝酸鋁Al（NO₃）₃.9H₂O為主要原料，用溶膠-凝膠法制備出50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al₂O₃-50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZrO₂納米復(fù)合陶瓷粉體。	納米復(fù)合粉體粒度小，分布窄，純度高。	處理過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)健康有害且形成膠粒及凝膠過(guò)濾、洗滌過(guò)程不易控制。
化學(xué)沉淀法	以ZrOCl2·8H2O、NH4OH、鋁鹽、高分子分散劑為主要原料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在溶液制備Al₂O₃/ZrO₂納米復(fù)合陶瓷粉體。	制備的復(fù)合粉體粒徑小，且由于加入了分散劑，粉體分散性較好。	制備時(shí)間較長(zhǎng)，且工藝過(guò)程不易控制

氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷系統(tǒng)中，氧化鋁是一種高強(qiáng)度的基體，填隙的氧化鋯提供相變?cè)鲰g機(jī)制，利用ZrO₂的相變特性對(duì)陶瓷材料進(jìn)行增韌仍是今后陶瓷增韌研究的主要課題之一。

氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷具有優(yōu)良的抗腐蝕性、抗熱振性、較高的強(qiáng)度和韌性，具有廣泛的應(yīng)用前景。用氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷可以制作陶瓷刀具用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鐵和合金的加工，還可以制成工程陶瓷的界面結(jié)構(gòu)，以延長(zhǎng)工程材料的使用壽命，用氧化鋯增韌氧化鋁可以制成耐磨瓷球，因?yàn)檠趸X陶瓷材料具有良好的生物相容性，還可以作為生物醫(yī)用材料，用于硬組織（牙齒）的重建和修復(fù)。

3、氮化硼-氧化鋯復(fù)合粉體

氮化硼-氧化鋯復(fù)合粉體制備是利用機(jī)械混合法，以氮化硼、氧化鋯和添加助劑為主要原料，經(jīng)混合配料后在酒精介質(zhì)中球磨混料，干燥后制備得到復(fù)合粉體。其后裝模在熱壓燒結(jié)爐中燒成氮化硼氧化鋯復(fù)合陶瓷。由純氮化硼本身燒結(jié)能力差，難以燒結(jié)致密化，一般情況下需添加CaO、B₂O₃、Al₂O₃、ZnO等作為燒結(jié)助劑。

圖3 氮化硼-氧化鋯復(fù)合陶瓷

氮化硼-氧化鋯復(fù)合陶瓷具有高強(qiáng)度、高韌性、高導(dǎo)熱、低膨脹，以及具備與熔融金屬呈現(xiàn)化學(xué)惰性、化學(xué)腐蝕性等優(yōu)良的物化性能，另外，產(chǎn)品還具有優(yōu)良的抗熱震、抗侵蝕、耐磨性和易加工等性能，使得該材料可適用于薄帶連鑄側(cè)封板、噴射成形導(dǎo)液管、金屬噴絲用噴嘴、連鑄功能耐火材料等多個(gè)領(lǐng)域。

4、t-ZrO₂ -TiN納米復(fù)合粉體

t-ZrO₂ -TiN納米復(fù)合粉體是利用化學(xué)沉淀法以ZrOCl₂·8 H₂O、Y（NO₃）·6 H₂O、Ti（SO4）₂為原料，以氨水作沉淀劑，經(jīng)化學(xué)共沉淀得到ZrO2-TiO2-Y2O3系統(tǒng)的水合氫氧化物膠體。除去雜質(zhì)離子脫水后經(jīng)高溫煅燒從而獲得t-ZrO₂ -TiO₂-Y₂O₃細(xì)粉，采用氨氣還原氮化法，在流動(dòng)的氨氣氛下原位反應(yīng)生成氮化鈦，同時(shí)保持四方相氧化鋯含量和結(jié)構(gòu)不變，通過(guò)高溫下選性氮化反應(yīng)即可得到產(chǎn)物，經(jīng)表征氮化后復(fù)合粉體中t-ZrO₂的粒徑為50～70nm，氮化效果可達(dá)到98%以上。

TiN與絕大部分重要的工程陶瓷材料都有良好的相容性，將TiN引入四方多晶氧化鋯材料中，利用 TiN的高熔點(diǎn)，高硬度來(lái)提高材料的耐磨性能和硬度并能起到補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果還可以利用TiN的高導(dǎo)電性，采用電火花加工技術(shù)將材料加工成復(fù)雜形狀的器件。

5、納米鈰鋯復(fù)合氧化物粉體

納米鈰鋯復(fù)合氧化物粉體制備方法主要有高溫焙燒法、溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法和固相反應(yīng)法等。高溫焙燒法是在在水-乙醇溶劑中，由干燥的Al（NO₃）₃·9H₂ O·Ce（NO₃）₃·6H₂O和單斜相二氧化鋯納米粉體組成的懸浮液，經(jīng)高溫?zé)岱纸猓苽涑隽肆６刃∮?/span>100μm的Al₂O₃摻雜CeO₂包覆單斜相二氧化鋯復(fù)合粉體。