《一种MZROSUB2/SUB陶瓷的微波烧结方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种MZROSUB2/SUB陶瓷的微波烧结方法.pdf(10页完整版)》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103626490 A (43)申请公布日 2014.03.12 CN 103626490 A (21)申请号 201310351068.X (22)申请日 2013.08.13 C04B 35/48(2006.01) C04B 35/64(2006.01) (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市科学大道 100 号 (72)发明人 张逸人 范冰冰 张帆 王海龙 张锐 骈小璇 陈浩 王晨阳 陈德良 赵彪 郭静霞 (74)专利代理机构 郑州睿信知识产权代理有限 公司 41119 代理人 牛爱周 (54) 发明名称 一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法。
2、 (57) 摘要 本发明公开了一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结 方法, 包括下列步骤 : 1) 采用纯 ZrO2粉体为原料 制成生坯, 置于辅助加热与保温联合装置中, 并将 其一同放入微波谐振腔内 ; 2) 开启微波源, 在低 温阶段以快速升温至排湿结束, 后慢速升温至反 射功率稳定, 后维持升温速度 20 30 /min 至 烧结温度, 保温 10 30min, 迅速冷却至室温, 即 得。 本发明的微波烧结方法, 采用纯氧化锆粉体为 原料制备 m-ZrO2陶瓷, 未添加任何稳定剂 ; 所得 m-ZrO2陶瓷的致密度为 99% 以上, 硬度为 4.0GPa 以上, 无开裂, 符合 m-ZrO2。
3、陶瓷的使用要求 ; 烧结 时间短, 能源消耗低, 环境污染少, 具有良好的经 济效益和环境效益, 适合工业化大规模生产。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103626490 A CN 103626490 A 1/1 页 2 1. 一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 包括下列步骤 : 1) 采用纯 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯, 将所得生坯置于辅助加热与保温联 合装置中, 并将其一同放入微波谐振腔。
4、内 ; 2) 开启微波源, 调节微波输入功率, 在低温阶段以 20 100 /min 的升温速度升温至 排湿结束, 后连续调节微波输入功率, 以 10 50 /min 的升温速度升温至反射功率稳定, 后维持升温速度在 20 30 /min 至烧结温度为 1300 1500, 在烧结温度条件下保温 10 30min, 迅速冷却至室温, 即得。 2. 根据权利要求 1 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 所述纯 ZrO2粉体 为纳米级。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 所述纯 ZrO2 粉体是由共沉淀法制备的。 4. 。
5、根据权利要求 1 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 所述辅助加热与 保温联合装置中具有 SiC 辅助加热棒。 5. 根据权利要求 1 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 步骤 2) 中所述反 射功率稳定为电流上下浮动范围在 10A 以下。 6. 根据权利要求 1 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 步骤 2) 中从开启 微波源到保温结束, 总的烧结时间为 80 120min。 7. 根据权利要求 1 所述的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其特征在于 : 步骤 2) 中所述迅 速冷却的降温速度为 15 30 /min。 权 。
6、利 要 求 书 CN 103626490 A 2 1/4 页 3 一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法 技术领域 0001 本发明属于陶瓷烧结技术领域, 具体涉及一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法。 背景技术 0002 氧化锆陶瓷是一种新型技术陶瓷, 与传统的氧化铝陶瓷相比, 具有以下优点 : 高强 度、 高断裂韧性和高硬度 ; 优良的耐磨损性能 ; 弹性模量和热膨胀系数与金属相近 ; 低热导 率, 在耐火材料、 机械、 电子、 光学、 航空航天、 生物化学等领域获得了广泛的应用。 氧化锆陶 瓷是由氧化锆粉经成型、 烧结制成的。 0003 在常压下, 纯 ZrO2存在三种晶态, 分别为单斜相。
7、氧化锆 (m-ZrO2) 、 四方相氧化锆 (t-ZrO2) 和立方相氧化锆 (c-ZrO2) 。三种晶型存在于不同的温度范围 : 单斜相 2370 ; 并且该三种晶型可以相互转化。氧化锆的四方相 与单斜相之间的转化是马氏体相变, 存在 3% 5% 的体积膨胀和 7% 8% 的切应变, 因此, 纯氧化锆制品往往在生产过程中 (从高温到低温的冷却过程) 发生 t-ZrO2转化为 m-ZrO2的 相变时伴随体积的变化, 从而产生裂纹, 甚至破碎。 因此, 在现有技术中, 采用常规技术制备 无开裂的纯氧化锆陶瓷比较困难 ; 而部分稳定的氧化锆陶瓷 (PSZ) 、 四方多晶氧化锆陶瓷 (TZP) 、 。
8、氧化锆增韧陶瓷 (ZTC) 等氧化锆陶瓷制品的原料中均需要添加不同量的稳定剂, 制 备方法工艺流程长, 操作复杂, 生产周期长, 成本较高, 并且其致密度和硬度也很难达到使 用的要求。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 实现了以纯氧化锆为原料 制备氧化锆陶瓷, 提高氧化锆陶瓷的致密度和硬度, 缩短生产周期。 0005 为了实现以上目的, 本发明所采用的技术方案是 : 一种 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方 法, 包括下列步骤 : 0006 1) 采用纯 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯, 将所得生坯置于辅助加热与保 温联合装置中, 并将其一同。
9、放入微波谐振腔内 ; 0007 2) 开启微波源, 调节微波输入功率, 在低温阶段以 20 100 /min 的升温速度升 温至排湿结束, 后连续调节微波输入功率, 以1050/min的升温速度升温至反射功率稳 定, 后维持升温速度在 20 30 /min 至烧结温度为 1300 1500, 在烧结温度条件下 保温 10 30min, 迅速冷却至室温, 即得。 0008 所述纯 ZrO2粉体为纳米级。 0009 所述纯 ZrO2粉体是由共沉淀法制备的。 0010 所述辅助加热与保温联合装置中具有 SiC 辅助加热棒。辅助加热与保温装置中 的 SiC 辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量, 将热。
10、量传递给样品, 能将样品温度升至 400以上, 使得氧化锆与微波更好的耦合, 而高温下 SiC 辅助加热棒介电损耗很低, 以氧 化锆本身的介电损耗为主。 说 明 书 CN 103626490 A 3 2/4 页 4 0011 步骤 2) 中所述反射功率稳定为电流上下浮动范围在 10A 以下。 0012 步骤 2) 中从开启微波源到保温结束, 总的烧结时间为 80 120min。 0013 步骤 2) 中所述迅速冷却的降温速度为 15 30 /min。 0014 本发明的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 其中, 辅助加热与保温装置中的 SiC 辅助 加热棒能将温度升至 400以上, 使得氧化锆。
11、与微波更好的耦合, 而高温下 SiC 辅助加热棒 介电损耗很低, 以氧化锆本身的介电损耗为主 ; 步骤 2) 所述排湿结束由热重 - 差热曲线看 出。 0015 氧化锆在低温下是绝缘陶瓷材料, 温度高于 400后与微波有较好的耦合作用 ; 微波烧结主要依靠介电损耗吸收电磁能, 自身加热至烧结温度, 是一种体加热过程, 能够克 服传统烧结方式制备氧化锆陶瓷导致的开裂问题。 0016 本发明的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 采用纯氧化锆粉体为原料制备 m-ZrO2陶 瓷, 未添加任何稳定剂 ; 根据氧化锆低温吸波性能较差、 高温吸波性能良好的特性, 采用 传统烧结与微波烧结相结合的混合微波烧结。
12、, 低温快速升温、 高温慢速升温的方法, 所得 m-ZrO2陶瓷的致密度为 99% 以上, 硬度为 4.0GPa 以上, 无开裂, 符合 m-ZrO2陶瓷的使用要 求 ; 烧结时间短, 能源消耗低, 环境污染少, 具有良好的经济效益和环境效益, 适合工业化大 规模生产。 附图说明 0017 图 1 为实施例 1 所得 m-ZrO2陶瓷的 X 射线衍射图 ; 0018 图 2 为实施例 1 所得 m-ZrO2陶瓷的断面 (a) 的 SEM 图 ; 0019 图 3 为实施例 1 所得 m-ZrO2陶瓷的表面放大 5000 倍的 SEM 图 ; 0020 图 4 为对比例的 m-ZrO2陶瓷的断面。
13、 (a) 的 SEM 图 ; 0021 图 5 为对比例的 m-ZrO2陶瓷的表面放大 5000 倍的 SEM 图。 具体实施方式 0022 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。 0023 实施例 1 0024 本实施例的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 包括下列步骤 : 0025 1) 采用共沉淀法制备的纯纳米 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯, 将所得生 坯置于辅助加热与保温联合装置中, 并将其一同放入微波谐振腔内 ; 0026 2) 开启微波源, 调节微波输入功率, 在低温阶段以 20 /min 的升温速度升温至 排湿结束, 后连续调节微波输入功率, 以 10 /m。
14、in 的升温速度升温, 使氧化锆陶瓷能够充 分转相, 同时监测反射功率, 至反射功率稳定, 后维持升温速度在 20 /min 至烧结温度为 1450, 在烧结温度条件下保温 20min, 按 50 /min 的速度迅速冷却至室温, 即得。 0027 其中, 辅助加热与保温装置中的 SiC 辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量, 将热量传递给样品, 能将样品温度升至 400以上, 使得氧化锆与微波更好的耦合, 而高温 下 SiC 辅助加热棒介电损耗很低, 以氧化锆本身的介电损耗为主。 0028 本实施例所用辅助加热与保温装置、 微波谐振腔均为现有设备, 其中微波谐振腔 为TE666大容积微波谐振。
15、腔, 谐振腔采用微波频率为2.45GHz, 最大输出功率为10KW的微波 说 明 书 CN 103626490 A 4 3/4 页 5 源, 通过 6 个磁控管均匀分布在腔体上方, 保证谐振腔内微波场强分布均匀。腔体顶部设有 排气装置及适于远红外辐射温度计的探孔 ; 红外测温仪实时监测谐振腔内样品温度, 所测 温度范围为 600 1800。 0029 实施例 2 0030 本实施例的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 包括下列步骤 : 0031 1) 采用共沉淀法制备的纯纳米 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯, 将所得生 坯置于辅助加热与保温联合装置中, 并将其一同放入微波谐振腔内。
16、 ; 0032 2) 开启微波源, 调节微波输入功率, 在低温阶段以 60 /min 的升温速度升温至 排湿结束, 后连续调节微波输入功率, 以 35 /min 的升温速度升温, 使氧化锆陶瓷能够充 分转相, 同时监测反射功率, 至反射功率稳定, 后维持升温速度在 30 /min 至烧结温度为 1300, 在烧结温度条件下保温 30min, 按 30 /min 的速度迅速冷却至室温, 即得。 0033 其中, 辅助加热与保温装置中的 SiC 辅助加热棒在低温下与微波耦合产生热量, 将热量传递给样品, 能将样品温度升至 400以上, 使得氧化锆与微波更好的耦合, 而高温 下 SiC 辅助加热棒介。
17、电损耗很低, 以氧化锆本身的介电损耗为主。 0034 实施例 3 0035 本实施例的 m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法, 包括下列步骤 : 0036 1) 采用纯纳米 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯, 将所得生坯置于辅助加热 与保温联合装置中, 并将其一同放入微波谐振腔内 ; 0037 2) 开启微波源, 调节微波输入功率, 在低温阶段以 100 /min 的升温速度升温至 排湿结束, 后连续调节微波输入功率, 以 50 /min 的升温速度升温, 使氧化锆陶瓷能够充 分转相, 同时监测反射功率, 至反射功率稳定, 后维持升温速度在 25 /min 至烧结温度为 1500, 在烧。
18、结温度条件下保温 10min, 按 15 /min 的速度迅速冷却至室温, 即得。 0038 实验例 0039 本实验例将实施例 1 3 所得 m-ZrO2陶瓷与对比例的 m-ZrO2陶瓷做检测, 实施例 1 所得 m-ZrO2陶瓷的 XRD(X 射线衍射) 图如图 1 所示, 可以看出 1450烧结后的样品完全 转化为 m-ZrO2; SEM 图如图 2、 3 所示 ; 对比例的 m-ZrO2陶瓷的 SEM 图如图 4、 5 所示。将实 施例 1 3 所得 m-ZrO2陶瓷与对比例的 m-ZrO2陶瓷作比较, 结果如表 1 所示。 0040 其中, 对比例的 m-ZrO2陶瓷的制备方法为 :。
19、 采用纯纳米 ZrO2粉体为原料, 经研磨、 成型制成生坯 ; 将所得生坯采用常压烧结的方法进行烧结, 升温速率为 1 2 /min, 烧结 温度为 1500 1600 /min, 保温 3h, 整个烧结过程历时 30h。 0041 表 1 实施例 1 3 与对比例的 m-ZrO2陶瓷比较结果 0042 项目致密度, %硬度, GPa晶粒尺寸, m总烧结时间 实施例 1 994.0 1.0120min 实施例 2 994.0 1.0100min 实施例 3 994.0 1.080min 对比例 972.1 1030h 0043 从上表 1 可知, 实施例 1 3 所得 m-ZrO2陶瓷的致密度。
20、比较高, 均为 99% 以上, 同 时具有较高的硬度, 为 4.0GPa ; 而对比例采用常规烧结方法所得 m-ZrO2陶瓷的致密度最高 为 97%, 硬度只有 2.1GPa。 说 明 书 CN 103626490 A 5 4/4 页 6 0044 从图1上可以看出, 实施例1所得m-ZrO2陶瓷经过1450微波烧结之后, 很好的完 成了氧化锆从 m-ZrO2到 t-ZrO2的晶型转化 ; 从图 2-5 可以看出, 实施例 1 所得 m-ZrO2陶瓷 的晶粒尺寸均在 1m 以下, 内部和表面都具有较高的致密度 ; 而对比例所得 m-ZrO2陶瓷内 部结构疏松, 存在较多的气泡, 但是表面相对致。
21、密, 即常压烧结的 m-ZrO2陶瓷闭气孔较多, 且其晶粒尺寸比较大, 均在 10m 以上。实施例 1-3 中氧化锆陶瓷细化的晶粒 有效避免了 降温过程中晶型转变导致的开裂。 0045 综上所述, 本发明的m-ZrO2陶瓷的微波烧结方法极大的提高了m-ZrO2陶瓷的致密 度和硬度。 说 明 书 CN 103626490 A 6 1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103626490 A 7 2/4 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103626490 A 8 3/4 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103626490 A 9 4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103626490 A 10 。