简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法技术

本发明专利技术涉及高熵陶瓷制备技术领域，公开了一种简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，按照如下步骤进行：S1、称取原料：按照设定的配比称量制备所需的原料；S2、颗粒细化：将步骤S1称量完成的原料与分散剂一同加入行星式球磨机的球磨罐中进行颗粒细化研磨，制备出混合均匀的浆料，随后对浆料进行烘干，并再次进行研磨得到细化粉料；S3、放电等离子处理：将完成步骤S2的细化粉料进行放电等离子活化，得到陶瓷生料；S4、微波烧结：对完成步骤S3的陶瓷生料进行微波烧结，即得高熵氧化物陶瓷材料。

【技术实现步骤摘要】
简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法
本专利技术涉及高熵陶瓷材料制备
，特别是涉及一种简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法。
技术介绍
高熵陶瓷通常是指五种或五种以上元素形成的单相固溶体，因其独特的“高熵”效应引起了广大研究者的兴趣。其中，高熵氧化物晶体结构丰富，包括氯化钠结构，尖晶石结构，钙钛矿结构和萤石结构等，它们性能各异，具有高于单相组元的优异性能，是最近的研究热点。高熵氧化物陶瓷的制备方法多种多样，主要的分为两类：固相法和液相法。液相法通常是将五种元素的硝酸盐(或其他盐)加入溶剂中搅拌均匀，随后加入沉淀剂反应数小时，将过滤得到的沉淀充分洗涤至中性，合适的温度下煅烧数小时，即可得到高熵陶瓷粉体。液相法制备陶瓷粉体的烧结温度较低，但是需要选择恰当的沉淀剂和溶剂，同时需要调节液相的pH值、各组元的浓度等技术参数，制备工艺复杂，产量低，周期长。固相法制备高熵陶瓷通常是将多种陶瓷原料粉末均匀混合，随后对粉体或者压制的坯体进行高温烧结，即可得到高熵陶瓷粉体或块体。固相法中常用的混料方式有振动球磨和行星式球磨，但这两种方式对原料的改性作用比较差。常用的烧结方法有放电等离子烧结、热压烧结和常压烧结。放电等离子烧结和热压烧结能实现陶瓷的致密烧结，烧结时间短，但是设备价格昂贵，操作复杂，只适合制备简单形状的陶瓷块体，难以实现批量生产。且烧结氧化物陶瓷时有渗碳过程，后续的除碳操作又会大大延长制备周期。文献J.Gild,M.Samiee,J.L.Braun,T.Harrington,H.Vega,P.E.Hopkins,K.Vecchio,J.Luo,High-entropyfluoriteoxides,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,38(2018)3578-3584采用SPS烧结在1500℃制备出高熵氧化物，并在空气中退火12h完成脱碳过程。常压烧结虽可以批量制备形状各异的陶瓷，但烧结温度高，烧结时间长达数十小时，制备的陶瓷晶粒粗大，致密度低。在文献S.Marik,D.Singh,B.Gonano,F.Veillon,D.Pelloquin,Y.Bréard,Enhancedmagneticfrustrationinanewhighentropydiamondlatticespineloxide,ScriptaMaterialia,186(2020)366－369中，通过常压烧结在1100℃烧结24h(不包括升温时间)得到具有尖晶石结构的高熵氧化物。闪烧是一种新型的烧结方式，烧结时间短，但对坯体的尺寸，形状和电阻率要求比较高，需要对坯体进行预烧－钻孔－引电极，操作复杂，还容易发生热失控现象，出现“过烧”或“烧融”现象，主要适用于实验室。文献B.Yoon,V.Avila,R.Raj,L.M.Jesus,Reactiveflashsinteringoftheentropy-stabilizedoxideMg0.2Ni0.2Co0.2Cu0.2Zn0.2O,ScriptaMaterialia,181(2020)48－52，采用闪烧方式制备出狗骨头形状的高熵陶瓷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，以解决现有高熵陶瓷的制备方法存在的烧结温度高、烧结时间长，以及陶瓷晶粒粗大、致密度低的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，按照如下步骤进行：S1、称取原料：按照设定的配比称量制备所需的原料，设定配比是指制备的高熵氧化物陶瓷中全部金属元素或者同一占位金属元素的物质的量或者数量占比相同；S2、颗粒细化：将步骤S1称量完成的原料与分散剂一同加入行星式球磨机的球磨罐中进行颗粒细化研磨，通过加入的分散剂使得球磨机制备出悬浊液，在悬浊液的球磨过程中有利于不同种类粉末的均匀混合，制备出混合均匀的浆料，随后对浆料进行烘干，并再次进行研磨得到细化粉料；S3、放电等离子处理：将完成步骤S2的细化粉料进行放电等离子活化，得到陶瓷生料；S4、微波烧结：对完成步骤S3的陶瓷生料进行微波烧结，即得高熵氧化物陶瓷材料，微波烧结本身也是一种活化烧结过程，会在烧结颈部产生局部区域电离，加速质点扩散，加结快烧。优选的，所述步骤S1中的原料至少包括MgO，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，CuO，ZnO，Cr2O3，Cr3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，MnO，MnO2，La2O3，La(OH)3，ZrO2，HfO2，CeO2，TiO2，SnO2，BaO，SrO，Li2O中的五种；其中，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，Cr2O3，Cr3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，MnO，MnO2，TiO2，ZnO，CuO，MgO中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备尖晶石结构的高熵氧化物陶瓷材料；ZrO2，HfO2，CeO2，TiO2，SnO2，La2O3，La(OH)3中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备萤石结构的高熵氧化物陶瓷材料；MgO，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，CuO，ZnO，Li2O中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备氯化钠结构的高熵氧化物陶瓷材料；La2O3，La(OH)3，BaO，SrO，Li2O中的含有的任意一种金属元素的原料用于制备钙钛矿结构的高熵氧化物陶瓷材料A位的金属元素，ZrO2、HfO2、TiO2、SnO2、MgO、CuO、ZnO中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备钙钛矿结构的高熵氧化物陶瓷材料B位的金属元素。优选的，所述步骤S2中的分散剂为去离子水或无水乙醇。优选的，所述步骤S2中的分散剂与原料的质量比为5～10：1，球磨罐内的球料比为3～8：1，球磨机转速为200～400r/min，球磨时间为3～10h，球料比中物料不包括分散剂的质量，仅指氧化物或者氢氧化物等陶瓷原料的质量。优选的，所述步骤S3放电等离子活化采用的是放电等离子球磨机进行球磨，其中，球磨机的球磨条件为：转速700～1200r/min，放电电压8～13KV，放电频率28～33KHz，球料比为10～20：1；有效球磨时间(指不包括停顿时间，完全处于球磨过程中的时间)1～10h，球磨机的运行模式为单向间隔运行，每运行20min，休息10min；球磨珠和球磨罐均为304不锈钢制成，两者材质相同，硬度相近，球磨过程中不易产生磨屑，以避免污染陶瓷生料。在放电等离子球磨过程中，原料粉体中，细化粉料表面受到巨大的冲击力，细化粉料的表面产生大量的缺陷，如空位、位错和新鲜的表面等，增加了固态扩散的驱动力，提高烧结过程中的扩散速率和离子迁移速率；此外，等离子体的温度较高，均匀混合的细化粉料中会发生局部熔融－冷凝现象，细化粉料的颗粒内部产生巨大的热应力有利于进一步细化粉体，增加反应界面和扩散界面，增加反应扩散通道，缩短反应扩散路径，这些效果都有利于降低陶瓷的烧结温度，提高扩散速率，加快了元素固溶反应。优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：/nS1、称取原料：按照设定的配比称量制备所需的原料；/nS2、颗粒细化：将步骤S1称量完成的原料与分散剂一同加入行星式球磨机的球磨罐中进行颗粒细化研磨，通过加入的分散剂使得球磨机制备出悬浊液，在悬浊液的球磨过程中有利于不同种类粉末的均匀混合，制备出混合均匀的浆料，随后对浆料进行烘干，并再次进行研磨得到细化粉料；/nS3、放电等离子处理：将完成步骤S2的细化粉料进行放电等离子活化，得到陶瓷生料；/nS4、微波烧结：对完成步骤S3的陶瓷生料进行微波烧结，即得高熵氧化物陶瓷材料。/n

【技术特征摘要】
1.简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
S1、称取原料：按照设定的配比称量制备所需的原料；
S2、颗粒细化：将步骤S1称量完成的原料与分散剂一同加入行星式球磨机的球磨罐中进行颗粒细化研磨，通过加入的分散剂使得球磨机制备出悬浊液，在悬浊液的球磨过程中有利于不同种类粉末的均匀混合，制备出混合均匀的浆料，随后对浆料进行烘干，并再次进行研磨得到细化粉料；
S3、放电等离子处理：将完成步骤S2的细化粉料进行放电等离子活化，得到陶瓷生料；
S4、微波烧结：对完成步骤S3的陶瓷生料进行微波烧结，即得高熵氧化物陶瓷材料。


2.根据权利要求1所述的简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于：所述步骤S1中的原料至少包括MgO，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，CuO，ZnO，Cr2O3，Cr3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，MnO，MnO2，La2O3，La(OH)3，ZrO2，HfO2，CeO2，TiO2，SnO2，BaO，SrO，Li2O中的五种；
其中，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，Cr2O3，Cr3O4，FeO，Fe2O3，Fe3O4，MnO，MnO2，TiO2，ZnO，CuO，MgO中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备尖晶石结构的高熵氧化物陶瓷材料；
ZrO2，HfO2，CeO2，TiO2，SnO2，La2O3，La(OH)3中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备萤石结构的高熵氧化物陶瓷材料；
MgO，CoO，Co2O3，Co3O4，NiO，CuO，ZnO，Li2O中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备氯化钠结构的高熵氧化物陶瓷材料；
La2O3，La(OH)3，BaO，SrO，Li2O中的含有的任意一种金属元素的原料用于制备钙钛矿结构的高熵氧化物陶瓷材料A位的金属元素，ZrO2、HfO2、TiO2、SnO2、MgO、CuO、ZnO中的至少任意五种含有不同金属元素的原料用于制备钙钛矿结构的高熵氧化物陶瓷材料B位的金属元素。


3.根据权利要求1所述的简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于：所述步骤S2中的分散剂为去离子水或无水乙醇，分散剂与原料的质量比为5～10：1，球磨罐内的球料比为3～8：1，球磨机转速为200～400r/min，球磨时间为3～10h。


4.根据权利要求1所述的简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于：所述步骤S3放电等离子活化采用的是放电等离子球磨机进行球磨，其中，球磨机的球磨条件为：转速700～1200r/min，放电电压8～13KV，放电频率28～33KHz，球料比为10～20：1；有效球磨时间(指不包括停顿时间，完全处于球磨过程中的时间)1～10h。


5.根据权利要求4所述的简单低耗制备高熵氧化物陶瓷材料的方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下分步骤：
S31、放电等离子球磨机预处理：取...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗洋，张丰年，成楚飞，程富豪，高峰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14