氧化铝-氧化锆陶瓷的制备

氧化铝-氧化锆陶瓷的制备指导教师：梁小平教授李建新教授2014年本科生大型综合实验一、实验背景（一）氧化铝陶瓷（二）氧化锆陶瓷（三）氧化铝-氧化锆陶瓷•氧化铝有α（刚玉型）、β、γ、δ等11种变体，其中主要是α、γ两种晶型，而且只有一种热力学稳定相，即α氧化铝。而β氧化铝是含碱的铝酸盐(R2O·11Al2O3或RO·6Al2O3)。它们的结构各不相同。•α氧化铝俗称刚玉，熔点高，硬度大，耐化学腐蚀，优良的介电性，是氧化铝各种型态中最稳定的晶型，也是自然界中唯一存在的氧化铝的晶型。氧化铝陶瓷少量钛（Ti）和铁（Fe）杂质所致；红色来自铬(Cr)Al2O3陶瓷的成型•氧化铝陶瓷成型的方法有许多种，依产品的形状、大小、复杂性与精度等要求选用合适的成型方式。最常用的方法有干压法成型、注浆成型、挤压成型、冷等静压法成型（CIP),注射成型、流延成型、热压成型与热等静压成型(HIP)以及近几年来新开发的压滤成型、凝胶注成型、固体自由成型制造技术等。Al2O3陶瓷的低温烧结工艺•液相烧结•热等静压烧结法•微波加热烧结法•热压烧结•微波等离子体烧结•放电等离子烧结Al2O3陶瓷的性能和应用•氧化铝陶瓷的用途是十分广泛的，根据氧化铝含量不同，其性能不同，用途也各有差异。•机械强度高：氧化铝烧结后的抗弯强度可达250MPa,热压产品可达500MPa。氧化铝的成分愈纯，强度愈高。强度在高温下可维持到900℃。利用氧化铝陶瓷的这一性质可以制成装置瓷和其他机械构件。•电阻率高，电绝缘性好：氧化铝的常温电阻率约为1015Ω·cm，绝缘强度15Kv/mm，利用其绝缘性和强度可制成各种基板、管座、火花塞和电路外壳等•硬度高：莫氏硬度为9，加上优良的抗磨损性，所以广泛地用以制造刀具、磨轮、磨料、拉丝模、挤压模、轴承等。用A12O3陶瓷刀具加工汽车发动机和飞机零件时，可以以高的切削速度获得高的精度。•熔点高，抗腐蚀：氧化铝的熔点为2050℃，能较好地抵抗一些熔融金属的侵蚀，可用作耐火材料、炉管，热电偶保护套等。•化学稳定性好：许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与A12O3作用。因此A12O3可以制备人体关节、人工骨等生物陶瓷材料。高熔点高硬度可制成透明陶瓷无毒、不溶于水，强度高主要特性主要用途坩埚刚玉球磨机高压钠灯的灯管水龙头阀门芯将氧化铝陶瓷主要特性和主要用途一对应并连线氧化铝陶瓷的不足•氧化铝陶瓷材料的脆性极大地限制了它的推广应用!为了减小脆性，除了采用先进的制备工艺外，人们研究了许多增韧的手段。•ZrO2相变增韧、纳米技术增韧、晶须和纤维增韧、颗粒弥散增韧、复合增韧、表面改性增韧等。•纯净的ZrO2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。氧化锆有三种晶相，分别为单斜晶相、四方晶相和立方晶相，三者之间的转变关系如下：•单斜ZrO2转变为四方ZrO2会产生7－8%的体积收缩，而逆向转变则会有相应的体积膨胀，实际生产过程中一般采用添加稳定剂（CaO、MgO、Y2O3、CeO2）的方法来制备氧化锆陶瓷材料。•由于它的一些良好的性能(如它的断裂韧性高于氧化铝陶瓷)，因而越来越受到人们的重视。氧化锆陶瓷ZrO2陶瓷增韧机制•氧化锆增韧机制有多种:相变增韧微裂纹增韧弥散增韧氧化锆陶瓷性质与应用Y-TZP陶瓷由于具有良好的性能，因此在很多领域都有广泛的应用。•磨介：Y－TZP相对于锆珠、氧化铝球、玻璃球和钢球而言，其耐磨性最好，目前正逐步取代其他磨介，在涂料等行业中广泛应用。用量最大的就是磨球，国内主要有深圳南玻等厂商在生产。工艺路线为干压和等静压成形工艺，以等静压工艺为主。磨介市场非常广阔，虽然普通的磨球市场已经饱合，但是各种研磨罐、搅拌磨中的磨盘和磨头等由于制备工艺相对复杂，仍主要以国外产品为主。•切割应用：在特定的切割应用中，Y－TZP占据了一定的市场份额，特别是对一些韧性和强度要求不是很高的场合，Y－TZP刀具得到了极大的发展。例如光纤剪刀、切纸刀、民用刀具和理发推剪等。其中发展比较成功的是京瓷的民用刀具，经过近十年的发展已经成为一个国际品牌。•阀类应用：这类应用市场范围广泛。最典型的产品是氧化锆水阀片。氧化锆主要用于制作油田和化工行业中用的球阀等。国内有深圳南玻等厂商在生产。工艺路线主要采用等静压工艺。这类产品加工和成品率非常重要，部件大，成品率对成本影响很大。•陶瓷轴承：在陶瓷轴承方面，氧化锆陶瓷相对于氮化硅陶瓷并不是最好，其主要优势是成本较低。可用于抗腐蚀、避免污染的场合，如食品工业等。另外一个领域就是新开发的陶瓷风扇，这大大拓展了氧化锆陶瓷轴承的应用空间。富士通公司首先推出了陶瓷轴承风扇，获得了较好的市场响应。轴芯全面采用3nm氧化锆•生物应用：研究表明,氧化锆在人体口腔中无过敏现象,在合理设计的前提下,可保证使用50年依然坚固.氧化锆可以用于几乎所有的义齿设计中,它使牙桥制做的长度不再有限制-无论是螺栓固定式或粘接式。它也是用于种植牙技术的最好材料。实际上,氧化锆全瓷牙已不再是单纯的义意上的义齿,它更适用于人们对美的越来越高的追求!氧化锆:坚如钢,白如雪!•个人用品：氧化锆陶瓷耐磨性好，硬度高，可以抛光且外观美观，因此可作为手表带、表壳及其他装饰部件。陶瓷表源于瑞士雷达表，后来国内有优尼克、潮州三环和北京建材院下属公司等一些企业开始生产。目前主要生产表带，以黑和白为主，蓝、金和红等其他颜色也已开发出来，制备工艺以热压铸和干压为主。氧化铝-氧化锆陶瓷•由于这两种陶瓷具有良好的化学和物理相容性，因此，利用氧化锆和氧化铝复合，相互之间可以取长补短。往氧化铝基质中添加氧化锆来提高氧化铝的韧性，这样的复相陶瓷被称为ZTA(zirconia-toughenedalunina)；反之，则称为ADZ(alumina-dispersedzirconia)。二、实验部分氧化铝-氧化锆陶瓷的制备（一）实验原料（二）实验设备（三）正交法设计实验（四）时间安排、开题、结题以及实验注意事项（五）思考题序号药品名称规格生产厂家1氧化铝分析纯天津市北方天医化学试剂厂2二氧化钛分析纯天津市大茂化学试剂厂3氧化锆分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司4氧化钇分析纯天津市北方天医化学试剂厂5无水乙醇分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司（一）实验原料（二）实验设备序号仪器型号生产厂家1电子天平FA2004上海舜宇恒平科学仪器有限公司2球磨机GB-80南京博蕴通仪器科技有限公司3粉末压片机FW-15T安合盟（天津）科技发展有限公司4电热恒温鼓风干燥器DF-101天津市中环实验电炉有限公司5高温电阻炉YFX5/160-YC上海易丰电炉有限公司6数显显微维氏硬度计TMVP-1北京时代之峰科技有限公司实验流程图配料球磨混料成型烧结测试29（三）正交实验•正交试验设计：正交试验设计是利用规格化的正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法30SNLq正交表是一种特别的表格，是正交设计的基本工具。我们只介绍它的记号、特点和使用方法。正交表的记号及含义记号及含义正交表的列数（最多能安排的因素个数，包括交互作用、误差等）S正交表的行数（需要做的试验次数）N各因素的水平数（各因素的水平数相等）q正交表的代号L31如782L表示782L表示各因素的水平数为2，做8次试验，最多考虑7个因素（含交互作用）的正交表。32正交表的特点1、正交表中任意一列中，不同的数字出现的次数相等；表示：在试验安排中，所挑选出来的水平组合是均匀分布的（每个因素的各水平出现的次数相同）——均衡分散性2、正交表中任意两列，把同行的两个数字看成有序数对时，所有可能的数对出现的次数相同。表示：任意两因素的各种水平的搭配在所选试验中出现的次数相等——整齐可比性这是设计正交试验表的基本准则33正交试验设计的基本步骤•1、明确试验目的，确定考核指标•2、选定因素（包括交互作用）、确定水平•3、选用合适的正交表•4、按选定的正交表设计表头，确定试验方案并组织实施试验•5、试验结果分析•6、若最佳组合方案在试验中未出现，如果条件允许，应安排一次验证试验，进行确认因素实验号1A2B3C综合指标1111100212289.2313384421256.2522369623174.4731365832148.5933291.5K1273.2221.2222.9K2196.6206.7236.9K3205249.9218.9k1（K1/3）91.173.774.3k2（K2/3）65.568.979k3（K3/3）68.383.373极差25.514.46.0最优方案A1B3C2正交实验设计制备ADZ陶瓷，考察烧结助剂含量、第二相含量和烧结温度对其性能的影响。•分别测试体积密度、气孔率、硬度，分别考察因素对体积密度、硬度的影响•分组：一共27人，分9大组，每组3人，每组有1个组长，负责总结汇报。元素含量氧化铝氧化钛烧结温度110%3%1250220%5%1300330%8%1350（四）时间安排时间实验内容周一实验讲解、第一组备料、烧结、第二组备料周二第二组烧结、第三组备料、第一组测试周三第二组测试、第三组烧结周四第三组测试、准备结题报告周五结题汇报（周五上午10点101）结题报告要求：•实验背景•实验试剂与仪器•实验步骤•实验结果与讨论•结论•参考文献•思考题实验注意事项：•实验中使用高温炉，注意使用耐高温手套，坩埚夹等设备•准确计算出实验所需各组分的质量。•试样放入坩埚中，每组的坩埚放入高温炉中要记住各组的位置，以免混淆。（五）思考题•①什么是烧结？分别举出常规烧结和特种烧结各5种。•②烧结助剂的作用是什么？•③什么是陶瓷的增强增韧？