一種氧化鋯復合陶瓷及其制備方法
【專利摘要】一種氧化鋯復合陶瓷，包括氧化鋯、穩定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩定劑均勻混合，所述氧化鋯復合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%～20%。該氧化鋯復合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強了氧化鋯復合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復合陶瓷中形成相互搭接的網絡結構，使其在常溫下就具有導電性能。還提供一種氧化鋯復合陶瓷的制備方法。
【專利說明】一種氧化鋯復合陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氧化鋯陶瓷領域，特別是涉及一種氧化鋯復合陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著特種陶瓷的使用范圍增加，陶瓷本身的缺陷也暴露開來，陶瓷作為一種無機材料，本身具有極高的硬度(使用最普遍的氧化鋁維氏硬度可達90以上)，耐高溫性能，耐摩擦，絕緣性能，優良的生物相容性。但是在一些特殊的使用場合，卻滿足不了使用條件，比如陶瓷的斷裂韌性太低，經受不住剪切力和拉拔力，或者有一些使用環境要求所使用的工程材料具有導電性能。氧化鋯陶瓷是陶瓷材料中室溫力學性能最高的一種材料，但是其強度和韌性隨溫度上升而急劇下降，且在常溫下為絕緣體，制約了其大規模應用，因此研究開發一種新型氧化鋯復合陶瓷是目前這一領域的研究熱點。

【發明內容】

[0003]基于此，有必要針對傳統氧化鋯陶瓷韌性低，常溫絕緣提供一種具有較高韌性和常溫下導電的新型氧化鋯復合陶瓷。
[0004]進一步，提供一種氧化鋯復合陶瓷的制備方法。
[0005]一種氧化鋯復合陶瓷，包括氧化鋯、穩定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩定劑均勻混合，所述氧化鋯復合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
[0006]在其中一個實施例中，所述穩定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0007]在其中一個實施例中，所述氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
[0008]上述氧化鋯復合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強了氧化鋯復合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復合陶瓷中形成相互搭接的網絡結構，使其在常溫下就具有導電性能。
[0009]一種氧化鋯復合陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0010]將I~5mm的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時后取出干燥，使所述碳纖維表面形成油酸薄膜；
[0011]將干燥后的碳纖維與粘結劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時，得到第一混合料；
[0012]將所述第一混合料、氧化鋯及穩定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時，
破碎，得到第二混合料；
[0013]將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯；
[0014]將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時后取出；
[0015]將在萃取劑中浸泡過的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結劑；
[0016]在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑的生坯在1450~1490°C燒結，得到所述氧化鋯
復合陶瓷。[0017]在其中一個實施例中，所述在500°C，400Pa真空度下除去粘結劑的條件具體為:以0.6~0.80C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.4°C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17°C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。
[0018]在其中一個實施例中，所述燒結的條件為:以1.08~2 V /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2V /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
[0019]在其中一個實施例中，所述萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
[0020]在其中一個實施例中，所述油酸與所述碳纖維的質量比為10:1。
[0021]在其中一個實施例中，所述粘結劑為:質量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物；所述粘結劑與所述碳纖維的質量比為4:1~3:1。
[0022]在其中一個實施例中，所述穩定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0023]上述氧化鋯陶瓷的制備方法簡單，燒結溫度低，通過將碳纖維在油酸中浸泡處理，使其在油性粘結劑中得到更好的相容性，且在400Pa真空度下燒結，在除去粘結劑的同時保證了碳纖維不被氧化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為一實施方式的氧化鋯復合陶瓷的電阻率與碳纖維含量之間的關系圖；
[0025]圖2為一實施方式`的氧化鋯復合陶瓷的斷裂韌性與碳纖維含量之間的關系圖；
[0026]圖3為一實施方式的氧化鋯復合陶瓷的制備方法流程圖；
[0027]圖4為一實施方式的碳纖維在粘結劑中的分散圖；
[0028]圖5為實施例1制備的氧化鋯復合陶瓷的宏觀照片；
[0029]圖6為實施例1制備的氧化鋯復合陶瓷的微觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0030]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
[0031]一種氧化鋯復合陶瓷，包括氧化鋯、穩定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩定劑均勻混合，所述氧化鋯復合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
[0032]在本實施方式中，碳纖維的長度為I~5mm。
[0033]穩定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂。純氧化鋯添加穩定劑后，四方相可以在常溫下穩定，加熱以后不會發生體積的突變，大大拓展了氧化鋯應用范圍。
[0034]優選的，穩定劑與氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0035]優選的，氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
[0036]請參閱圖1，為一實施方式的氧化鋯復合陶瓷的電阻率與碳纖維含量之間的關系圖。由圖1可以看出，隨著碳纖維體積含量的增加，氧化鋯復合陶瓷的電阻率逐漸降低，當碳纖維體積含量在12.5%~20%時，氧化鋯復合陶瓷的電阻率呈現一個較平穩的趨勢。
[0037]請參閱圖2，為一實施方式的氧化鋯復合陶瓷的斷裂韌性與碳纖維含量之間的關系圖。由圖2可以看出，隨著碳纖維體積含量的增加，氧化鋯復合陶瓷的斷裂韌性先變大后減小。當碳纖維的體積含量在12.5%時，氧化鋯復合陶瓷的斷裂韌性最大。
[0038]上述氧化鋯復合陶瓷利用碳纖維的增韌因素，有效增強了氧化鋯復合陶瓷的韌性，且碳纖維均勻分布，在氧化鋯復合陶瓷中形成相互搭接的網絡結構，使其在常溫下就具有導電性能。
[0039]請參閱圖3，一實施方式的氧化鋯復合陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0040]S210、將I~5mm的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時后取出干燥，使所述碳纖維表面形成油酸薄膜。
[0041]在本實施方式中，碳纖維是由碳纖維長絲經纖維短切而成，具有分散均勻、喂料方式多樣、工藝簡單等優點。
[0042]在本實施方式中，油酸與碳纖維的質量比為10:1。
[0043]在本實施方式中，所述干燥的方法具體為:自然晾干或在40~50°C的烘箱中烘干。
[0044]通過將碳纖維放入油酸中浸泡處理，使其表面形成油酸薄膜，使其能在油性粘結劑中得到更好的相容性。
[0045]S220、將干燥后的 碳纖維與粘結劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時，得到第一
混合料。
[0046]在本實施方式中，粘結劑為:質量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物。優選的，所述粘結劑與所述碳纖維的質量比為4:1~3:1。
[0047]請參閱圖4，一實施方式的碳纖維在粘結劑中的分散圖。由圖2可以看出，碳纖維在粘結劑中能更好的均勻分布。這是因為由聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸混合制備的粘結劑比水具有更大的粘度和表面張力，在空間中對碳纖維能產生更好的定位作用。
[0048]S230、將所述第一混合料、氧化鋯及穩定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時，破碎，得到第二混合料。
[0049]在本實施方式中，穩定劑為為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂。優選的，所述穩定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
[0050]優選的，所述第一混合料、氧化鋯及穩定劑在密煉機中混合加熱到170~180°C，攪拌2~4小時，破碎得到第二混合料。
[0051]S240、將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯。
[0052]在本實施方式中，成型方式為注射成型。在其他實施方式中，成型方式還可以為擠出成型、熱壓成型或輥壓成型。
[0053]S250、將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時后取出。
[0054]在本實施方式中，萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
[0055]可以理解，在其他實施方式中還可以采用其他萃取劑，只要此過程中，石蠟被脫除即可。
[0056]S260、將在萃取劑中浸泡過的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結劑。
[0057]在本實施方式中，除去粘結劑的條件具體為:以0.6~0.8°C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.40C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17~0.250C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。此過程中，粘結劑中的聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸被脫除。
[0058]S270、在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑后的生坯在1450~1490°C燒結，得到所述
氧化鋯復合陶瓷。
[0059]在本實施方式中，燒結的條件為:以1.08~2°C /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2°C /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
[0060]在真空條件下排膠燒結，保證了碳纖維不被氧化。另外，在真空條件下燒結，使氧化鋯復合陶瓷晶格內產生氧空位，由碳原子填充，降低了氧化鋯陶瓷的電阻率。
[0061]上述氧化鋯陶瓷的制備方法簡單，燒結溫度低，通過將碳纖維在油酸中浸泡處理，使其在油性粘結劑中得到更好的相容性， 且在400Pa真空度下燒結，保證了碳纖維不被氧化。
[0062]以下為具體實施例。
[0063]實施例1
[0064]將100glmm的碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散12小時后取出晾干,使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的碳纖維與400g質量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結劑混合，在170°C攪拌2小時，得到第一混合料。將第一混合料、1900g氧化鋯及100g氧化釔混合，加熱到170°C，攪拌2小時，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在170°C成型，得到生坯。將生坯在50°C的煤油中浸泡12小時除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑的生坯在1450°C燒結，得到所述氧化鋯復合陶瓷。
[0065]圖5為本實施例制備的氧化鋯復合陶瓷的宏觀照片。由圖5可以看出，燒結后的氧化鋯復合陶瓷結構完好，無缺損。
[0066]圖6為本實施例制備的氧化鋯復合陶瓷的微觀形貌圖。由圖6可以看出，碳纖維在氧化鋯復合陶瓷中均勻分布，形成相互搭接的網絡結構，使氧化鋯復合陶瓷在常溫下就具有導電性能。
[0067]實施例2
[0068]將100g5mm碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散12小時后取出在40°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的短切碳纖維與300g質量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結劑混合，在180°C攪拌I小時，得到第一混合料。將第一混合料、1900g氧化鋯及100g氧化鈣混合，加熱到180°C，攪拌4小時，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時除去石蠟，再在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑的生坯在1490°C燒結，得到所述氧化鋯復合陶瓷。
[0069]實施例3
[0070]將100g3mm碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散22小時后取出在50°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的碳纖維與350g質量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結劑混合，在175°C攪拌1.5小時，得到第一混合料。將第一混合料、1800g氧化鋯及200g氧化鈰混合，加熱到180°C，攪拌4小時，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑的生坯在1490°C燒結，得到所述氧化鋯復合陶瓷。
[0071]實施例4
[0072]將100g3mm短切碳纖維浸入1000g油酸中，超聲分散22小時后取出在50°C的烘箱中烘干，使其表面形成油酸薄膜，將干燥后的短切碳纖維與400g質量比為40:70:10的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸制備的粘結劑混合，在175°C攪拌1.5小時，得到第一混合料。將第一混合料、1800g氧化鋯及200g氧化鎂混合，加熱到180°C，攪拌4小時，破碎，得到第二混合料。將第二混合料在180°C成型，得到生坯。將生坯在60°C的煤油中浸泡24小時除去石蠟，再在在500°C，400Pa真空度下除去聚甲基丙烯酸甲酯及硬脂酸。在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑的生坯在1490°C燒結，得到所述氧化鋯復合陶瓷。 [0073]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種氧化鋯復合陶瓷，其特征在于，包括氧化鋯、穩定劑及碳纖維，所述碳纖維與所述氧化鋯及所述穩定劑均勻混合，所述氧化鋯復合陶瓷中所述碳纖維的體積含量為5%~20%。
2.如權利要求1所述氧化鋯復合陶瓷，其特征在于，所述穩定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
3.如權利要求1所述氧化鋯復合陶瓷，其特征在于，所述氧化鋯的粒徑為0.1~I μ m。
4.一種氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 將I~5_的碳纖維浸入油酸中，超聲分散12~24小時后取出干燥,使所述碳纖維表面形成油酸薄膜； 將干燥后的碳纖維與粘結劑混合，在170~180°C攪拌I~2小時，得到第一混合料；將所述第一混合料、氧化鋯及穩定劑混合，加熱到170~180°C，攪拌2~4小時，破碎，得到第二混合料； 將所述第二混合料在170~180°C成型，得到生坯； 將所述生坯在50~60°C的萃取劑中浸泡12~24小時后取出； 將在萃取劑中浸泡過的生坯，在500°C，400Pa真空度下除去粘結劑； 在CH4氣體氛圍中，將除去粘結劑后的生坯在1450~1490°C燒結，得到所述氧化鋯復合陶瓷。
5.如權利要求4所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述在500°C，400Pa真空度下除去粘結劑的條件具體為:以0.6~0.8°C /min的升溫速率從室溫升至100°C，再以0.2~0.40C /min的升溫速率從100°C升至200°C，再以0.17~0.25°C /min的升溫速率從200°C升至300°C，再以0.67~1°C /min的升溫速率從300°C升至500°C，且在500°C保溫120分鐘。
6.如權利要求4所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述燒結的條件為:以1.08~2V /min的升溫速率從500°C升至1150°C，保溫60分鐘，再以1.13~2V /min的升溫速率從1150°C升至1490°C，保溫120~180分鐘后冷卻。
7.如權利要求4所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述萃取劑為正庚烷、正己烷、二氯甲烷、三氯乙烯或煤油。
8.如權利要求5所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述油酸與所述碳纖維的質量比為10:1。
9.如權利要求5所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述粘結劑為:質量比為40~20:70~50:10~5的聚甲基丙烯酸甲酯、石蠟及硬脂酸的混合物；所述粘結劑與所述碳纖維的質量比為4:1~3:1。
10.如權利要求5所述氧化鋯復合陶瓷的制備方法，其特征在于，所述穩定劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鈰或氧化鎂；所述穩定劑與所述氧化鋯的摩爾比為3:97~5:95。
【文檔編號】C04B35/80GK103771893SQ201310362419
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】王明明 申請人:深圳市商德先進陶瓷有限公司