一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料制造技术

本发明专利技术公开了一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料，该陶瓷材料是由铌酸镍、金属氧化物组成，具有通式（NiNb2O6）（R

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料


[0001]本专利技术属于陶瓷材料
，具体涉及一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料。

技术介绍

[0002]航空发动机、燃气轮机和汽车发动机中所用的燃油的燃烧温度与其利用效率成正比，燃烧温度的提高有利于提高燃油利用效率的同时可以提高上述设备的推重比从而提供更强劲的动力，从而进一步提高飞机和汽车的速度以及火力发电站中发电机组的发电效率。然而限制燃油燃烧效率的主要原因之一是设备中的高温零部件熔点较低，当前一直无法突破1100℃这一极限，而航空发动机的进气口温度已经超过1500℃，因此需要在高温零部件表面制备一层低热导率的隔热防护涂层材料，在燃气轮机和航空发动机中这一涂层材料简称为热障涂层材料。当前使用的热障涂层材料为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），其热导率较高（2.5
‑
.3.5 W/m/K），并且热膨胀系数（10
×
10
‑
6 K
‑1）远低于合金基体材料（12
‑
14
×
10
‑
6 K
‑1），导致涂层与基体材料的热膨胀系数失配，因此其工作温度已经无法满足当前的工业发展需求。为了取代当前的YSZ材料，我们提出应用新型的铌酸镍陶瓷作为热障涂层使用，铌酸镍具有热导率低、高温化学稳定性优异和熔点高的特点，然而其低硬度和低断裂韧性的缺点使其无法直接作为热障涂层使用。而且，通过普通高温烧结制备的铌酸镍陶瓷具有一定的气孔率，对其力学性质也产生一定影响，而仅仅提高烧结时的温度将导致陶瓷融化，因此获得具有优异力学性质（高硬度、高模量和高断裂韧性）的致密铌酸镍陶瓷一直是当前难点。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料。
[0004]本专利技术的目的是这样实现的，一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料，所述的陶瓷材料由铌酸镍、金属氧化物组成，具有通式（NiNb2O6）（R
a
O
b
）
y
，其中：R
a
O
b
表示Ta2O5、Al2O3、MgO、ZrO2、HfO2或稀土氧化物中的一种或几种，所述稀土氧化物为Sc，Y，La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tm，Dy，Ho，Er，Yb或Lu的氧化物；y表示R
a
O
b
占铌酸镍陶瓷材料的质量百分比，且0.1≤y≤0.7；所述铌酸镍陶瓷材料致密度大于99%，硬度大于9GPa，杨氏模量大于160GPa，断裂韧性值为1.3
‑
2.5MPa.m
1/2
；所述低温烧结铌酸镍陶瓷材料由下述工艺步骤制备而成：A、将铌酸镍粉末NiNb2O6和金属氧化物颗粒或粉末置于研磨机中进行研磨混合得到混合粉末；B、所述混合粉末过筛后置于模具中进行放电等离子烧结得到目标陶瓷材料；其中，放电等离子烧结的温度为600
‑
800℃，保温时间为10
‑
30分钟，升温速率为50℃/min。
[0005]本专利技术的原理为：本专利技术通过加入具有优异力学性质的Ta2O5、Al2O3、MgO、ZrO2、HfO2和稀土氧化物（RE2O3，RE=Sc，Y，La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tm，Dy，Ho，Er，Yb，Lu）中的一种或者数种（两种及以上）氧化物对铌酸镍的力学性质进行优化，获得了高硬度、高强度、高模量和高断裂韧性的铌酸镍陶瓷，解决了铌酸镍陶瓷由于力学性质不足而无法直接作为热障涂层使用的问题。而且加入的上述氧化物在低温下不与铌酸镍反应，在烧结过程中可作为结晶点，促进铌酸镍在低温下结晶的同时作为硬质颗粒在晶界处起到钉扎作用抑制晶粒长大，从而细化晶粒进一步提高材料的力学性质。
[0006]另外，上述氧化物具有不同的热导率和热膨胀系数等热物理性能，因此可以根据工作环境的不同对所需材料的热物理性能进行有效调控。
[0007]本专利技术根据原始粉末的粒径大小调控研磨时的转速和时间可以有效将粉末的粒径达到纳米级别，同时结合硬质氧化物促进晶粒形核和抑制晶粒长大的作用，可以在低于800℃条件下获得致密的陶瓷材料。粉末粒径细小、促进晶粒形核位置多、钉扎作用明显以及所加入氧化物的高熔点都是保证通过低温烧结制备得到致密的高强度高硬度铌酸镍陶瓷的重要因素。
[0008]本专利技术的有益效果为：1、本专利技术解决了一般高温烧结无法制备得到致密铌酸镍陶瓷的问题，相比普通烧结时温度低的情况下材料气孔多不致密，而温度高导致材料融化，无法获得致密铌酸镍陶瓷块体的情况，本专利技术铌酸镍陶瓷的制备方法在600
‑
800℃下烧结制备的高硬度高强度铌酸镍陶瓷致密度大于99%，气孔率小于1%。
[0009]2、本专利技术制备的铌酸镍陶瓷相比传统高温固相法制备的铌酸镍陶瓷具有更高硬度和强度：本方法制备的铌酸镍陶瓷硬度大于9GPa，相比传统方法制备的铌酸镍陶瓷（~4GPa）提高超过110%，断裂韧性最高值可达到2.5MPa.m
1/2
，相较传统方法制备的铌酸镍陶瓷(~1.1MPa.m
1/2
)提高超过100%，杨氏模量大于160GPa，相比铌酸镍陶瓷（~90GPa）提高超过70%。
[0010]3、本专利技术利用加入的氧化物作为结晶点和晶界钉扎点，同时起到促进晶粒形核和抑制晶粒过度长大的作用。还可以同时根据需要可以加入不同类型、不同质量分数的氧化物从而对铌酸镍陶瓷的热物理性能进行调控，如加入氧化镁能够将铌酸镍的热膨胀系数从6
‑7×
10
‑
6 K
‑1提高超过10
×
10
‑
6 K
‑1，加入稀土氧化物能够有效降低铌酸镍的热导率，从而使其能够在不同服役环境下使用。
附图说明
[0011]图1从左至右分别为本专利技术实施例1、6
‑
8制得的陶瓷的实物图；图2从左至右分别为本专利技术实施例3制得的30%Al2O3+70%NiNb2O6陶瓷与普通烧结方法制备的NiNb2O6陶瓷电镜扫描图；图3为实施例1
‑
5制得的不同氧化铝含量的NiNb2O6陶瓷硬度变化趋势图；图4为实施例7制得的65%MgO+35%NiNb2O6陶瓷的热膨胀系数示意图；图5为实施例8制得的20%Y2O3+20% Yb2O3+60%NiNb2O6陶瓷的热导率随温度变化图。
[0012]具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。
[0013]本专利技术一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料，所述的陶瓷材料由铌酸镍、金属氧化物组成，具有通式（NiNb2O6）（R
a
O
b
）
y
，其中：R
a
O
b
表示Ta2O5、Al2O3、MgO、ZrO2、HfO2或稀土氧化物中的一种或几种，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬度高强度的低温烧结铌酸镍陶瓷材料，其特征在于所述的陶瓷材料由铌酸镍、金属氧化物组成，具有通式（NiNb2O6）（R
a
O
b
）
y
，其中：R
a
O
b
表示Ta2O5、Al2O3、MgO、ZrO2、HfO2或稀土氧化物中的一种或几种，所述稀土氧化物为Sc，Y，La，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tm，Dy，Ho，Er，Yb或Lu的氧化物；y表示R
a
O
b
占铌酸镍陶瓷材料的质量百分比，且0.1≤y≤0.7；所述铌酸镍陶瓷材料致密度大于99%，硬度大于9GPa，杨氏模量大于160GPa，断裂韧性值为1.3
‑
2.5MPa.m
1/2
；所述低温烧结铌酸镍陶瓷材料由下述工艺步骤制备而成：A、将铌酸镍粉末NiNb2O6和金属氧化物颗粒或粉末置于研磨机中进行研磨混合得到混合粉末；B、所述混合粉末过筛后置于模具中进行放电等离子烧结得到目标陶瓷材料；其中，放电等离子烧结的温度为600
‑
800℃，保温时间为10
‑
30分钟，升温速率为50℃/min。2.根据权利要求1所述低温烧结铌酸镍陶瓷材料，其特征在于，研磨转速为1000
‑
5000r/min，时间为5
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，陈琳，王建坤，张陆洋，罗可人，荣菊，王刚，赵世贤，粱鹏鹏，李红霞，
申请(专利权)人：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：