一种原位反应低温制备氧化铝陶瓷的方法 【技术领域】
本发明涉及一种氧化铝陶瓷的制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷熔点高，硬度高，且有优良的热稳定性和化学稳定性，是优异的工程陶瓷材料之一。但其离子键较强，从而导致其质点扩散系数低、烧结温度较高。例如99氧化铝陶瓷的烧结温度可高达近1800℃。如此高的烧结温度将促使晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低，同时也造成材料气密性差，且对窑炉耐火砖的损害较大。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业所关心和急需解决的重要课题。
专利200510024330.5提及了一种纳米晶添加氧化铝陶瓷材料及低温液相烧结方法，其主要采用了添加10％～30％纳米晶的氧化铝粉体和MgO和SiO2复合的添加剂来实现氧化铝粉体的低温烧结，烧结温度在1450℃。所制备的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸分为两种，一种为较大尺寸的氧化铝，一类为较小尺寸的氧化铝，这样提高氧化铝陶瓷的强度和断裂韧性，
专利03114098.X低温烧结的99氧化铝陶瓷及其制造方法和用途主要涉及99％氧化铝陶瓷的烧结，主要采用添加氧化镁、氧化锆、氧化钇的复合添加剂，烧结温度在1600℃以上。
还有类似的专利很多，综合以上的专利，我们可以看出目前专利的主要思想在于：第一，通过添加现有的、较为昂贵的超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的良好烧结活性的粉体来达到降低烧结温度的目的；第二，添加适量的烧结助剂，以达到促进材料致密化并且在低温烧结的目的。
目前对于原位制备纳米氧化铝粉体同时进行低温烧结实现纳米氧化铝陶瓷低温制备的方法还未见报道。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题克服现有技术的不足，提供一种改进的氧化铝陶瓷的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种氧化铝陶瓷的制备方法，该方法以勃姆石为主要原料，包括如下步骤：
①使勃姆石在酸溶液中、搅拌条件下形成溶胶；
②向步骤①所得溶胶中加入质量为所述溶胶中氧化铝总质量的0.05％～2％的复合烧结助剂，搅拌，脱除水分获得凝胶状物质；
③烧结所述凝胶状物质得到氧化铝陶瓷。
根据本发明的一个优选方案，所述的勃姆石为工业级，且其中杂质含量在1.5wt％以下。
步骤①中制备溶胶的一个可实施并且优选的方案是：使勃姆石在水存在下高速搅拌以形成浆料，再加入酸调节体系pH至形成溶胶。一般调节体系的pH至1.5～5.5，尤其是3是优选的。调节pH所用的酸可以为盐酸、硫酸、硝酸、草酸中的任一种或多种，这些酸可以为直接购买所得的工业级酸或者经过稀释的酸。本领域技术人员为了调节pH的目的，可以选择合适的酸的浓度。
步骤②中，所述的复合烧结助剂可以为选自氟化锌、氟化铵、氟化铝、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化硅、氧化钛及氧化钇中的任意两种及两种以上的混合物。另外，在该步骤中，为了获得凝胶状物质，可通过加热体系至80～100℃来脱除水分。
根据本发明的一个方面，在上述步骤②后、步骤③前，将凝胶状物质置于40～60℃下干燥以使其水分含量小于等于30wt％。
本领域的技术人员应当了解，虽然可在较高的温度如1800℃下进行保温烧结以获得最终的氧化铝陶瓷，但是本发明优选在较低地温度下，具体地说，在1250℃～1350℃下保温2～20小时，如此可在获得致密氧化铝陶瓷的同时，不会影响到陶瓷的力学性能。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明以勃姆石为原料，通过原位反应制备氧化铝，坯体包含的粉体具有较高的反应活性，为低温烧结以获得氧化铝陶瓷奠定了基础；另外，本发明还通过添加烧结助剂进一步降低氧化铝陶瓷的烧结温度。采用本发明方法制备的氧化铝陶瓷，能够在1250℃下烧结致密，从而避免了高温烧结对氧化铝陶瓷的力学性能造成的不良影响。应用在本发明的有效的烧结助剂可以是常用的普通烧结助剂如氧化镁、氧化钙等，因而，本发明成本低。由于工艺简单、成本较低，本发明特别适于大规模生产氧化铝陶瓷。
【具体实施方式】
本发明的目的是，在勃姆石中原位生成纳米氧化铝粉体，同时根据不同助剂的作用机理利用添加的低温烧结助剂制备纳米氧化铝陶瓷。通过合理配比多种助剂形成复合助剂，大大降低了纳米氧化铝陶瓷的烧结温度。提出一种通过原位反应低温制备纳米晶氧化铝陶瓷的制备方法，可以用于批量生产高强度、高韧性、高硬度氧化铝陶瓷。
下面对本发明的具体实施方式进行说明，但不限于这些实施例。
实施例1
按照本实施例的氧化铝陶瓷的制备方法包括如下步骤：
①、取工业级的含有总质量分数为1.5％的氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化铁等杂质的勃姆石300kg，将该勃姆石加2500kg水高速搅拌，形成浆料，然后将该浆料加热至50℃，加工业硝酸调节pH值为3获得溶胶。
②、将质量为1kg的氟化铝、氧化镁、氧化锰的复合烧结助剂加入到上述溶胶中，继续高速搅拌并加热至90℃，待水分蒸发后形成凝胶状物质。
③、将上述凝胶状物质在80℃下干燥72小时，凝胶状物质中水分含量为20％，称之为干凝胶。
④、将所得干凝胶在1250℃下保温20小时，得到氧化铝陶瓷。
所制备的氧化铝陶瓷，晶粒尺寸：≯1微米，硬度HRV0.5：≮1600MPa，致密度：≮99％，抗折强度：≮300MPa。
实施例2
按照本实施例的氧化铝陶瓷的制备方法包括如下步骤：
①、取工业级的含有总质量分数为1.5％的氧化硅、氧化钠、氧化钙、氧化铁等杂质的勃姆石300kg，将该勃姆石加2000kg水高速搅拌，形成浆料。在25℃条件下，加工业盐酸调节pH值为3获得溶胶。
②、将质量为1kg的氟化铵、氧化钛、氧化钙复合烧结助剂加入到上述溶胶中，继续高速搅拌并加热至90℃，待水分蒸发后形成凝胶状物质。
③、将制得的凝胶状物质在50℃下干燥144小时，凝胶状物质中水分含量为20％，称为干凝胶。
④、将所得干凝胶在1350℃下保温2小时，得到氧化铝陶瓷。
所制备的氧化铝陶瓷，晶粒尺寸：≯1微米，硬度HRV0.5：≮1600MPa，致密度：≮99％，抗折强度：≮300MPa。
综上，本专利主要通过在勃姆石胶体中添加复合烧结助剂，原位制备纳米氧化铝粉体，同时通过添加烧结助剂最大程度降低氧化铝烧结温度，制备纳米氧化铝陶瓷。制得的纳米氧化铝陶瓷具有纳米级晶粒尺寸、成瓷好、硬度高、强度大、成本低的特点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不违背本发明初衷的前提下，本领域技术人员对本发明技术方案的修改和改进，均应在本发明的权利要求书的保护范围内。