制备共晶陶瓷的方法技术

本发明专利技术有益地提供一种具有均匀致密结构的烧结共晶陶瓷的制备方法，尤其提供含有稀土铝酸盐化合物的共晶体的制备方法。该方法允许将氧化铝和稀土铝酸盐化合物的共晶粉末，使用火花等离子体烧结设备在５－１００ＭＰａ的压力下于真空或非氧化性气氛中在１３００－１７００℃的温度下保持１－１２０分钟，从而使晶体生长，以获得稀土铝酸盐共晶结构晶体。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。具体地说，本专利技术涉及由稀土 铝酸盐和氧化铝或稀土氧化物的共晶粉末中产生共晶晶体结构(以下 简称"共晶")的方法。尤其是，本专利技术提供了致密的烧结共晶陶瓷 体，其与传统的材料相比几乎牢不可破，并具有多种工业用途。
技术介绍
习惯上，使用Bridgman技术制备共晶陶瓷如氧化铝和稀土铝酸盐 化合物的共晶体，该技术是一种单晶生长技术。特别地，制备具有理 想形状的成品是通过单向凝固法，该法包括将试样装入钼或钨制的坩 埚中，在高温下熔化试样，并从底部开始使试样慢慢冷却，从而使共 晶晶体从底部向顶部连续生长(D. Viechnicki and F. Schmid， J. Mater. Sci.，4 (1969) 84-88)。该共晶体为优异的高温材料，其强度可维持至 1700。C(Y. Waku, H. Ohtsubo, N. Nakagawa， and Y. Kohtoku， J. Mater. Sci., 31 (1996) 4663-4670)。在上述使用单向凝固法制备共晶体的方法中，试样尺寸受限于坩 埚尺寸。而且，由于只制备柱状共晶体，有必要将共晶体加工成适于 实际应用的特定形状。此外，使用传统的方法合成试样要求缓慢的冷 却步骤，其中需要一段较长的时间以允许长成大的共晶体。原则上，通过将共晶组分的原材料熔化并使熔融物凝固来获取上 述的共晶体结构。例如，通过将试样装入水冷的铜容器，并用电弧或电子束熔化试样，从而在短时间内获得共晶体。但是，由于该方法不 能使试样均匀熔化，得到的共晶结构不均匀并含有大量的孔洞，其中 产生了大量的裂纹。因为此，很难制备大的共晶体材料。具有相对均匀结构的共晶体可通过将共晶组分的原料置于一个大 炉子中，并用电弧只在中央部位熔化原材料。该种情况下，也会产生 裂纹，因此难以获得大的共晶体。通过研磨用这些方法得到的共晶体可得到共晶粉末。通过将共晶 粉末进行晶体生长或烧结，能得到理想形状的共晶体。但是，传统的 烧结技术不能使共晶粉末充分成长以形成大的共晶体。在此使用的传统烧结技术包括无压烧结法、热压法和热等压法 (HIP)。无压烧结法中，初始粉末材料只通过加热来烧结。热压法和 HIP法除了加热以外还施加压力，以促进烧结。与无压烧结法相比，这 两种方法的优点在于粉末材料可在较低的温度下烧结。热压法和HIP法的区别在于提高施加压力的能力。这三种方法通过加热或加热与压力相结合来促进物质扩散，从而 烧结物质。但是，共晶体的结构为两种组成单晶相互掺合。因此，这 两种单晶必须分别生长，以便使用共晶粉末作原材料获得大的共晶体。 该现象与传统的多晶体烧结不同。因此，共晶粉末中的每个晶体不能 用传统的烧结方法单独烧结。结果，只有同样晶粒碰巧在一起的区域 被烧结，因此留下了大量的孔洞。这有损烧结体的致密度。专利技术公开本专利技术的目的是提供一种有助于制备具有均匀致密结构共晶陶瓷 的方法，尤其是制备含有稀土铝酸盐化合物的共晶体的方法。为了达到上述目的，本专利技术主要提供了下列制备方法。尤其是，本专利技术提供了一种，包括使用火花等离子体烧结工艺，将共晶陶瓷粉末在500 — 200(TC温度的真空或非氧化性气氛下放 置1-120分钟，压力为5—100 Mpa，从而使晶体生长。特别地，本专利技术提供了一种含有稀土铝酸盐化合物共晶体的制备 方法，包括使用火花等离子体烧结设备，将氧化铝和稀土铝酸盐化合 物的共晶粉末在1300—170(TC的温度于真空或非氧化性气氛下放置1 —120分钟，压力为5—100MPa，从而使晶体生长，得到稀土铝酸盐共 晶体结构的烧结体。本专利技术中，用作原材料的共晶粉末优选为选自A1203和Ln3A150,2 、 八1203和LnA103、 Ln203禾卩Ln2Al5012、 Ln203和LnA103、以及Ln203 和Ln4Al209的氧化铝和稀土铝酸盐化合物的共晶粉末，或选自 MgAl204-LnA103、 MgO-Al203、 MgO-CaO、 Al203-Nb205、 CaO-Al203、 Al203-Zr02、 B4C-SiC、 B4C-TiB2、 B4C-YB6、 PbO-Fe203、 PbO-Nb205、 PbO-V205、 PbO-Ge02、 BaO-W03、 V205-BaO、 Bi203-Ge02、 V205-ZnO、 PbO-W03 、 PbO-ZnO 、 Bi203-Fe203 、 V205-Cr203 、 Li2W04-W03 、 V205-MnO 、 V205-NiO 、 V205-CuO 、 Bi203-Al203 、 V205-CaO 、 Bi203-Mn203、 Bi2OrTi02、 CaO-W03、 SrO-W03、 MgO-W03、 Fe2OrLn203 和Nb203-Bi203的陶瓷粉末。本专利技术得到的共晶体陶瓷中，稀土铝酸盐共晶体的例子包括 八1203-1^3人15012共晶体、Al203-LnA103共晶体、Ln203-Ln3Al5012共晶 体、Ln203-LnA103共晶体、Ln203-Ln4Al209共晶体、MgAl204-LnA103 共晶体、MgO-Al203共晶体、MgO-CaO共晶体、Al203-Nb205共晶体、 CaO-Al203共晶体、Al203-Zr02及类似物。附图说明图1是八1203-￥3八15012共晶体烧结体的扫描电子显微照片。 图2是Al203-GdA103共晶体烧结体的扫描电子显微照片。专利技术的最佳方案本专利技术的特征之一为原材料的烧结方法。专利技术人采用火花等离子 烧结(以后简称"SPS")法作为烧结的方法。SPS法中使用的设备(火 花等离子烧结设备)基本上类似于热压设备。但是，这些设备在动力 供应和加热方法上有区别。热压法中，原始粉末材料通过将交流电流 经真空室中装备的石墨加热器而间接加热。相反，SPS法不使用加热器。SPS法中，装有原始粉末材料的石墨坩埚放置于与热压法使用的相似的真空室中。使用上下通电冲压电 极从顶部和底部对石墨坩埚施压。同时，使脉冲直流电流通过通电冲 压电极以一毫秒或更短的间隔时间流经石墨坩埚。在该情况下，烧结 的初始阶段可通脉冲直流电流，随后可通连续的直流电流。或者，在 整个烧结过程中均通连续的脉冲直流电流。这里采用石墨坩埚作电阻 增加温度，从而烧结原始粉末材料。在此使用的产生脉冲直流电流的 能源供给类似于电子放电机的能源供给。具体地，传统的电子放电机通过利用电极和工件间发生电子放电产生的热等离子体来加工导电体。在SPS法中，电路中不存在产生等离子体的空间。当达成电传导时，绝大部分电流流经装有原始粉末材 料的石墨坩埚。此时，漏泄电流流经石墨坩埚中装载的粉末表面，即 使该粉末为非导电材料。如果电流为脉冲直流电流，通过开始通电时 粉末颗粒间的放电现象产生具有少量能量和火花冲击压的火花等离子 体。本专利技术中，粉末的温度通过火花等离子体增加，并且排出的吸收 气体和粘附于粉末的杂质通过火花冲击压去除。这导致粉末材料(金属或非氧化物陶瓷)表面的部分氧化物膜被破坏，从而粉末被净化、 活化，并易于烧结。因此，本专利技术的方法确保将用传统方法不能烧结 的粉末材料烧结到较高的致密度。除了上述现象，SPS法中，由于脉冲直流电流允本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备烧结共晶陶瓷的方法，包括通过如下步骤制备烧结共晶陶瓷粉末：１）将用于氧化铝和稀土铝酸盐化合物的共晶陶瓷组合物的原材料粉末混合，２）熔化该混合的粉末以得到共晶体块，３）研磨该共晶体块以制备共晶陶瓷粉末；或者：１）将用于氧化铝和稀土铝酸盐化合物的共晶陶瓷组合物的原材料粉末混合，２）在１０００－１５００℃的温度下将该混合粉末预烧结，３）熔化该预烧结体以得到共晶体块，４）研磨该共晶体块以制备共晶陶瓷；和然后使得所述共晶陶瓷初始材料使用火花等离子体烧结设备以及使用脉冲直流电在５－１００Ｍｐａ的压力下于真空或非氧化性气氛中在１３００－１７００℃的温度下保持１－１２０分钟。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：大森守，平井敏雄，鸨田正雄，
申请(专利权)人：大森守，SPS新特科株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]