專利名稱：致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的制備方法
致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種制備致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的方法，屬于氧化物陶瓷材料
領域。 ■
氧化鋯是20世紀70年代發展起來的新型結構陶瓷材料,由于具有耐磨損、耐腐蝕、強度大、熔點高等特性，在冶金、電子、化工、機械等領域有著廣泛的應用。氧化鋯主要存在三種
不同的晶型立方相、四方相和單斜相。氧化鋯多品型與溫度之間的轉化關系表示如下
單斜相< "7。"c >四方相< 2370"e >立方相 < 威 > 液相
其中值得注意的是，四方相到單斜相的相變過程中存在7-9%的體積膨脹效應，從而產生較大
應力,在氧化鋯結構中會產生微裂紋,甚至碎裂。但是,當加入適當氧化釔、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋁等穩定劑后,高溫穩定的立方相和四方相也能在室溫下穩定或亞穩定存在，減小了相變應力，從而使氧化鋯陶瓷在許多領域發揮著極其重要的作用。其中,氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷材料作為電化學傳感器被廣泛應用于一次性傳感裝置來測定鋼液中溶氧量。該材料除了如高氧離子遷移數和電導率等電學性能要求外，為了防止氣體分子的滲透，還有高致密度等結構要求。但是，氧化鋯是一種非常難于燒結的材料，目前國內外制備氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷一般采用電融氧化鋯或者其它方法制得的氧化鋯粉末為原料，在高溫燒結過程中使穩定劑固溶進氧化鋯晶粒。對于材料的廣泛應用和工業化生產來說，它們的主要問題有
以下幾個方面
(1) 原料粒度較大，燒結溫度高，對設備的要求高，能耗大；
(2) 采用高溫固相燒結，其晶粒尺寸大小難以控制；
(3) 穩定劑高溫狀態下固溶進氧化鋯晶粒，它在氧化鋯品粒中分布很容易不均勻，影響材料的性能。
研究表明，納米級/亞微米級粉末具有較高比表面積，燒結活性大，利用這些粉末作為原料也能夠降低燒結溫度，提高燒結試樣的致密性。硏究和生產實踐表明，共沉淀法在濕化學方法制備粉體材料中是一種生產工藝簡單、原料成本低廉、所得粉體性能良好的方法。與其它一些傳統無機材料制備方法相比，共沉淀法具有如下優點
(1) 工藝與設備較為簡單，沉淀期間可將合成和細化一道完成,有利于工業化；
(2) 可以精確控制各組分的含量,使不同組分之間實現分子/原子水平的均勻混合；
(3) 在沉淀過程中，可以通過控制沉淀條件及下-一歩沉淀物的煅燒制度來控制所得粉料的純度、顆粒大小、分散性和相組成；
(4)樣品煅燒溫度低,性能穩定且重現性好。
另外，經典燒結理論表明，液相燒結法是一種廣泛應用促進燒結的方法，它能夠顯著的 降低燒結溫度，提高燒結試樣致密性。
為了解決目前制備致密化氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷存在的問題，本發明采用共沉淀法 合成的含有一定添加劑組成的部分穩定氧化鋯為原刺.，利用液相燒結于1300°C-1800QC加熱 而獲得致密的氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷材料。具體實施方法是
1. 將包括添加劑在內的如下原料溶解于含有分散劑的水溶液或者醇水溶液
A:含鋯原料，如ZrOCl2.8H20或者Zr(N03)2.2H20等； B:含鎂原料，如Mg(N03)2-6H20或者MgCl2.6H20等；
C:含鋁、硅、l丐等元素的添加劑，如A1(N03):,9H20、 Ca(N03)r4H20、 A1C13、 Na2SiF6 或者CaCb等。
其中，各物質轉化為氧化物后，它們在燒結體中的摩爾百分含量分別為 Zr02: 80-98%; MgO: 2-10%; A1203: 0-6%, Si02: 0-5%; CaO: 0-5%.
2. 待原料完全溶解后，在采用強烈攪拌的條件下通過如下兩種方式獲得氫氧化物沉淀 A:直接加入氨水或者氫氧化鈉溶液，使各種元素同時均勻沉淀；
B:加熱溶液至一定溫度(50-75。C)，使溶液中鋯元素完全生成沉淀后，繼續攪拌一定時間 后(0-5小時)，加入氨水或者氫氧化鈉溶液，使其它元素在鋯沉淀的周圍均勻析出。
3. 將獲得的沉淀反復利用去離子水清洗后，再采用酒精清洗。
4. 將清洗后的沉淀(80-120。C)干燥后，在一定溫度下(400-800。C)煅燒，然后粉碎，磨細l。
5. 將磨細的粉末成型后，先于低溫(600-1100。C)再次煅燒后，在1300-1800。C條件下燒結， 然后在一定溫度下(1000-1500。C))處理后獲得致密氧化鎂部分穩定氧化鋯燒結體(相對密度 >95%)。
本發明具有以下優點
(1) 能夠精確控制穩定劑和各種添加劑的含量，使它們非常均勻的分散，而且合成粉末的 粒度均勻、細小。
(2) 在較低的燒結溫度條件下能夠獲得致密性良好的燒結體。既節能環保，又提高了生產效率。
(3) 工藝簡單，設備投資少，有利于工業化大規模生產。


圖1為合成粉末及燒結體的的衍射結果(a)干燥后粉末，(b)400。C煅燒粉末，(c)1700。C
燒結體
圖2為400°C煅燒粉末的掃描照片
下面通過具體實施例進一步闡述本發明的特點，必須聲明的是本發明絕非只局限于該實 施例。
實例 ，
按照一定配比將ZrOCl2.8H20、 Mg(N03)r6H20、 A1(N03)3.9H20、 Na2SiF6、 CaCl2等物質 溶解于含有聚乙二醇分散劑的醇水溶液中，其中醇水溶液的乙醇和水的體積比為5:1;待原料 完全溶解后，在采用強烈攪拌的條件下緩慢將獲得的溶液加熱至75。C，當溶液中鋯元素完全 生成沉淀后，繼續攪拌半小時；接著，加入氨水直至pH值為10;而后，將獲得的沉淀反復
利用去離子水清洗后，用AgN03試紙檢測沉淀中無cr后，再采用酒精清洗。然后，將清洗
后的沉淀干燥后在一定溫度下400。C煅燒，然后粉碎，磨細。接著，將獲得的粉末成型后，
在低溫iioo°c煅燒后，于noo。c條件下燒結，然后在i400°c下熱處理即可獲得相對密度達
98%的致密氧化鎂部分穩定氧化鋯燒結體。
圖1示出了合成粉末和燒結體的衍射結果。其中(a)為105。C干燥后粉木，(b)為400。C煅 燒粉末，(c)為1700。C燒結體試樣。從圖上可以看出，除了氧化鋯晶體，沒有別的相存在。105°C 干燥后，試樣中沒有出現結晶相。400。C煅燒后，都轉化為立方晶型，且衍射峰的半高寬較大， 則說明煅燒后獲得粉末的粒徑小，有利于燒結。高溫燒結后，試樣中既存在高電導率立方相 和四方相，也存在能夠顯著提高材料性能的單斜相，故可推斷該燒結體理化性能應比較良好。
圖2示出了40(fC煅燒粉末的掃描照片。從圖上可以看出煅燒后的粉末粒徑非常小，各 顆粒間結合不太緊密，團聚不嚴重。這說明采用共沉淀法獲得的粉末的燒結性能優越。燒結 后的試樣比較致密，其相對密度達98%。
從實施例可以看出，本發明制備的氧化鎂部分穩定氧化鋯比較致密，且燒結溫度較低， 工藝控制簡單，適合大規模工業生產。
權利要求
1. 一種制備致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的方法，包括添加劑的種類，引入方法以及添加量。其特征在于1)添加劑的種類各種含鋁、硅、鈣等元素的物質，且它們溶解于水后呈中性或者酸性。如Al(NO3)3·9H2O、Ca(NO3)2·4H2O、AlCl3、Na2SiF6或者CaCl2等。2)添加劑引入方法在共沉淀法合成納米級/亞微米級粉體的過程中，加入各種添加劑，使它們均勻分散。3)添加量要求添加劑各元素的氧化物在燒結體中的摩爾百分含量分別為Al2O30-6％，SiO20-5％；CaO0-5％.
2. 根據權利要求1所述的制備致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的方法，其特征在于添加 劑各元素的氧化物在燒結體中的摩爾百分含量分別為A1203: 0.5-2%, Si02: 0.5-2%; CaO: 0.05-0.5%.
全文摘要
本發明是一種制備致密氧化鎂部分穩定氧化鋯陶瓷的方法。利用氧化鎂作為穩定劑，采用共沉淀法引入三氧化二鋁，二氧化硅，氧化鈣等添加物，合成納米級/亞微米級粉末；然后利用液相燒結在較低溫度下加熱制得致密的氧化鋯陶瓷材料。本發明的主要特點是能夠精確控制穩定劑和各種添加劑的含量，使它們非常均勻的分散，而且合成粉末的粒度均勻，粒徑小；在較低的燒結溫度條件下，能夠獲得致密性良好的燒結體。本方法工藝簡單，設備投資少，有利于工業化大規模生產。
文檔編號C04B35/48GK101497524SQ20081001029
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者于景坤, 戴文斌, 王新麗 申請人:戴文斌;于景坤;王新麗