[发明专利]复合结构氧化铝/氧化铝-氧化锆层状复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能陶瓷复合材料及制备方法，具体为一种铺层/原位热压制备微-纳米复合结构氧化铝/氧化铝-氧化锆层状复合材料及制备方法。

背景技术

仿生结构陶瓷的出现，为陶瓷材料的强韧化提供了一种崭新的研究和设计思路。进行陶瓷材料的仿贝壳层状结构设计，可获得高强高韧的先进结构陶瓷(Clegg W J，Kendall K，Alford N M，et al.A simple way to make tough ceramics.Nature，1990，347：455)。特别是近年来对纳米陶瓷逐步深入的研究，给陶瓷材料的发展与应用带来了新的希望。但由于大体积纳米陶瓷的制备仍存在很大困难，而具有微-纳米复合结构的纳米陶瓷复合材料是目前最接近产业化的纳米陶瓷。因此，设计制备具有微-纳米复合结构及仿贝壳层状结构的纳米陶瓷复合材料，并进行材料制备工艺的优化，对纳米陶瓷的实际应用将会产生重大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微-纳米复合结构及仿贝壳层状结构，且具有高断裂功、高致密度、高纯度、表面硬度高及弯曲强度可控等综合性能优异、制备工艺简单、烧结温度低的氧化铝/氧化铝-氧化锆层状复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种复合结构氧化铝/氧化铝-氧化锆层状复合材料，其特征在于层状复合材料由氧化铝层和氧化铝-氧化锆层组成，其中氧化铝层和氧化铝-氧化锆层的厚度及层厚比可任意调整，表层为氧化铝，相组成为α-氧化铝和四方相氧化锆，具有微-纳米复合结构。

本发明所述各层的配比为氧化铝层：Al₂O₃(90～100wt％)，烧结助剂(0～10wt％)[(0～5wt％)CuO+(0～5wt％)TiO₂]；氧化铝-氧化锆层：Al₂O₃(75～100wt％)，ZrO₂(0～15wt％)[2～3mol％Y₂O₃]，烧结助剂(0～10wt％)[(0～5wt％)CuO+(0～5wt％)TiO₂]。

所述的复合结构氧化铝/氧化铝-氧化锆层状复合材料的制备方法，其特征在于以商品化氧化铝、氧化锆、氧化铜、氧化钛和氧化钇粉体为原料，经物理机械方法按比例球磨混合15～25小时，得到混合好的微-纳米复合结构初始粉体；在石墨模具中，采用铺层方法将氧化铝和氧化铝-氧化锆初始粉体交替叠合，通过调整铺层的厚度或初始粉体的重量来控制层状复合材料的各层厚度及层厚比，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～20℃/分钟，烧结温度为1300～1500℃，烧结压力为20～30MPa，烧结时间为50～120分钟。

所述的商品化氧化铝、氧化锆、氧化铜、氧化钛和氧化钇粉体的粒度范围为100～200目，并以此粉体原料，按比例球磨混合15～25小时，球磨介质为无水乙醇，获得粒径范围为0.02～2μm的微-纳米复合结构复合粉体。

本发明的设计原理如下：

以微-纳米复合粉体为原料，烧结所得材料的结构主要由晶界型和晶内型混合组成，细小的纳米颗粒分别分布于大颗粒的晶粒内部和晶界，形成了致密而均匀的显微结构，从而提高了材料的力学性能。另外，以Al₂O₃为表层，Al₂O₃-ZrO₂(3Y)做间隔层，这种结构由于Al₂O₃和ZrO₂(3Y)材料的热膨胀系数不同，将会在层间界面上形成热膨胀系数失配，从而在热膨胀系数较小的表层产生残余压应力。同时，在Al₂O₃/Al₂O₃-ZrO₂(3Y)层状复合材料中，间隔层中ZrO₂(3Y)第二相的存在起到了相变增韧的作用，残余应力与相变增韧的协同作用，使Al₂O₃/Al₂O₃-ZrO₂(3Y)层状复合材料具有优异的力学性能。

本发明的优点是：