一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷及其制备方法，所述氧化铝陶瓷包括以下质量百分比的原料：氧化铝陶瓷粉体90

【技术实现步骤摘要】
一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷及其制备方法，属于无机非金属材料制备


技术介绍

[0002]陶瓷材料被广泛应用于航空、耐磨器件、刀具等领域。然而，陶瓷材料固有的断裂韧性低的缺点严重制约了陶瓷材料的进一步应用。因此，提高陶瓷材料的断裂韧性对于实现陶瓷材料更广泛的应用具有非常重要的意义。纤维增韧陶瓷材料的方法是在陶瓷材料基体中以一定的工艺方式加入增韧纤维，利用纤维的高强度特性来分担陶瓷基体外加的负荷，分散残留在基体中的应力，降低外加载荷对基体的破坏。
[0003]纤维增韧陶瓷材料的方法主要有外部引入法和原位生成法。原位生成法是在基体中加入生成纤维的原料在高温处理过程中生成纤维以达到增韧补强的目的。例如：赵红超等提供了一种原位转化碳纤维增韧氧化铝复合材料的制备工艺，以聚丙烯腈预氧化纤维为前驱体，使其在真空烧结过程中原位转化生成碳纤维来增韧氧化铝陶瓷材料，但是其增韧效果有限(参见文献：赵红超，陈华辉，曹晶晶，高占峰，范磊.原位转化碳纤维增韧氧化铝复合材料的制备工艺[J].北京科技大学学报，2013，35(7):908
‑
913.)。中国专利文献CN108409347A提供了一种原位生成Ti3SiC2相增韧碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，将TiC粉、粘结树脂和有机溶剂配制成料浆，与纤维制备成预浸料后，经热压、碳化，利用高温熔融硅渗透技术在生成碳化硅基体时原位生成Ti3SiC2。但是，这种方法需要的材料多且工艺复杂。而将制成的纤维由外部引入到基体材料中，则可以大大提高增韧补强效果。例如：中国专利文献CN1884189提供了一种莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料由以下重量百分比的原料制成：α
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Al2O3为69％～84.5％，莫来石纤维为10％～20％，TiO2为0.5％～1％，助溶剂CaO+MgO+SiO2为5％～10％，其抗弯强度与纯氧化铝陶瓷相比提高2～3倍，断裂韧性提高4～5倍，提高氧化铝陶瓷的力学性能。但是上述复合材料所用的纤维为微米级纤维，需要较高的纤维质量分数才能明显提高增韧补强效果。
[0004]因此，开发新的纤维增韧陶瓷材料的方法对于陶瓷材料的应用具有重要的意义。为此，提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷及其制备方法。本专利技术采用具有较大比表面积的静电纺丝纳米纤维来增韧氧化铝陶瓷，静电纺丝纳米纤维与陶瓷基体有较大的接触面积，可以提供更多的表面能增量，从而更加有效的增韧，使用较低的添加量就可以得到较好的增韧效果，有望获得低纤维体积分数，高韧性复合陶瓷。本专利技术采用常压烧结直接制备得到纤维增韧氧化铝陶瓷，简化了复合材料的生产流程，且提高了纳米纤维在基体中的均匀分散性，同时实现了静电纺丝纳米纤维在纤维增韧陶瓷领域的应用，因此具有良好的实际应用价值。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷，包括以下质量百分比的原料：氧化铝陶瓷粉体90
‑
93％，烧结助剂5％，静电纺丝纳米纤维2
‑
5％。
[0008]根据本专利技术，所述氧化铝陶瓷粉体为α
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Al2O3粉体，粒径为5
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20μm。
[0009]根据本专利技术优选的，所述的烧结助剂为二氧化钛和氧化镁的混合物，混合物中二氧化钛和氧化镁的质量比为1～3:1；所述烧结助剂按照下述方法制备得到：将二氧化钛与氧化镁按质量比混合，以氧化锆为球磨球，控制球磨机的转速为700～900r/min，球磨时间控制为4
‑
8h，进行干法球磨得到。
[0010]根据本专利技术优选的，所述的静电纺丝纳米纤维包括但不限于静电纺丝制备的Al2O3、SiO2、莫来石纳米纤维中的一种；其制备方法为现有技术，其中，静电纺丝Al2O3纳米纤维的制备可参考文献：王雁.静电纺丝法制备氧化铝纤维及其在环境领域中的应用研究[D].山东大学,2015；静电纺丝SiO2纳米纤维的制备可参考文献：金依敏,王文宇,吕岩,陈丰.静电纺丝法合成二氧化硅纳米纤维膜[J].化学工程与装备2019(08):19
‑
20+24。
[0011]根据本专利技术优选的，所述的静电纺丝纳米纤维的直径为200
‑
250nm。
[0012]根据本专利技术，上述静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷的制备方法，包括步骤如下：
[0013](1)将氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂混合，以蒸馏水作为球磨介质，进行混料球磨，得到氧化铝浆料；
[0014](2)将静电纺丝纳米纤维加入氧化铝浆料中进行球磨，分散均匀后得到混合浆料；之后进行造粒、压制成型、干燥、烧结，得到静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的蒸馏水的加入体积与氧化铝陶瓷粉体的质量之比为0.5
‑
1mL:1g。
[0016]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的球磨的转速为300
‑
500r/min，球磨时间为3
‑
6h。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的球磨的转速为100
‑
300r/min，球磨时间为1
‑
3h。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的造粒步骤为：向混合浆料中加入聚乙烯醇水溶液作为粉体粘结剂，进行造粒并陈腐得到预成型粉料；所述的聚乙烯醇水溶液的质量浓度为10wt％，所述聚乙烯醇的重均分子量Mw为85000
‑
124000g/mol；所述的聚乙烯醇水溶液的加入量为混合浆料质量的10
‑
15％；造粒时喷雾干燥塔的转速为8000
‑
10000r/min，进口温度为180
‑
200℃，出口温度为100
‑
120℃；所述陈腐时间为12
‑
24h。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的压制成型时坯体成型压力为20
‑
40MPa，保压时间30
‑
60s。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的干燥为在60
‑
80℃下干燥6
‑
12h。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的烧结为分段烧结，首先以3
‑
5℃/min的升温速率升至200
‑
500℃，保温0.5
‑
2h，进行排胶；之后以3
‑
5℃/min的升温速率升温至1300
‑
1500℃，保温2
‑
4h；采用分段烧结的方法，可以将造粒时加入的有机组分充分除去，若不进行这一步，会导致坯体变形开裂。
[0022]本专利技术的技术特点及有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：氧化铝陶瓷粉体90
‑
93％，烧结助剂5％，静电纺丝纳米纤维2
‑
5％。2.根据权利要求1所述的静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷，其特征在于，所述的烧结助剂为二氧化钛和氧化镁的混合物，混合物中二氧化钛和氧化镁的质量比为1～3:1；所述烧结助剂按照下述方法制备得到：将二氧化钛与氧化镁按质量比混合，以氧化锆为球磨球，控制球磨机的转速为700～900r/min，球磨时间控制为4
‑
8h，进行干法球磨得到。3.根据权利要求1所述的静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷，其特征在于，所述的静电纺丝纳米纤维为静电纺丝制备的Al2O3、SiO2、莫来石纳米纤维中的一种；所述的静电纺丝纳米纤维的直径为200
‑
250nm。4.权利要求1
‑
3任一项所述的静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷的制备方法，包括步骤如下：(1)将氧化铝陶瓷粉体和烧结助剂混合，以蒸馏水作为球磨介质，进行混料球磨，得到氧化铝浆料；(2)将静电纺丝纳米纤维加入氧化铝浆料中进行球磨，分散均匀后得到混合浆料；之后进行造粒、压制成型、干燥、烧结，得到静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷。5.根据权利要求4所述的静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的蒸馏水的加入体积与氧化铝陶瓷粉体的质量之比为0.5
‑
1mL:1g；所述的球磨的转速为300
‑
500r/min，球磨时间为3
‑
6h。6.根据权利要求4所述的静电纺丝纳米纤维增韧氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王挺，吴翰清，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：