一種低溫常壓快速燒結(jié)全穩(wěn)定氧化鋯粉體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于精細化工領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種低溫常壓快速燒結(jié)全穩(wěn)定氧化鋯粉體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)具有高溫氧離子導(dǎo)電性強、熱導(dǎo)率低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，近年來在氧傳感器、固體氧化物燃料電池、熱障涂層等領(lǐng)域已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，F(xiàn)SZ粉體的燒結(jié)十分困難，通常需要在1500 °C以上才能實現(xiàn)其致密化過程。但是更高的溫度又將導(dǎo)致FSZ晶粒的異常長大，從而對材料的電導(dǎo)率、力學(xué)性能等產(chǎn)生不利影響。因此，如何解決FSZ粉體在其燒結(jié)過程中致密化與晶粒粗化的矛盾是當前FSZ材料制備面臨的一個主要問題。
[0003]目前，對于FSZ粉體的燒結(jié)主要有放電等離子燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、超高壓燒結(jié)、真空燒結(jié)等。然而，這些燒結(jié)方法的局限性和高成本極大限制了 FSZ材料的廣泛應(yīng)用。Chen等(I_W.Chen , X-H.Wang, Sintering dense nanocrystalIine ceramicswithout final stage grain growth, Nature, 2000,404(6774): 168-171)提出了一種兩步燒結(jié)納米陶瓷的新方法，即:首先將制品加熱到較高溫度并獲得一定致密度，然后，再快速冷卻到一個較低溫度，并在此溫度下進行長時間保溫，從而最終實現(xiàn)制品的完全致密。從燒結(jié)理論上看，兩步燒結(jié)法是通過控制溫度的變化，在抑制晶界迀移(這將導(dǎo)致晶粒長大)的同時，保持晶界擴散(這是坯體致密化的動力)處于活躍狀態(tài)，從而實現(xiàn)細晶化燒結(jié)的目的。米用該方法，Ghosh等(A.Ghosh, A.K.Suri , Low-temperature sintering andmechanical property evaluat1n of nanocrystalIine 8 mol% yttria fullystabilized zirconia, J.Am.Ceram.Soc., 2007，90(7):2015-2023)通過在 1125 0C下保溫3h，并迅速降溫至1090 0C繼續(xù)保溫20h，最終得到了高達95%理論密度，晶粒尺寸為150-250nm的8Y-FSZ陶瓷材料。盡管該方法可以在較低溫度下實現(xiàn)FSZ陶瓷的燒結(jié)，然而，需要指出的是，該方法的燒結(jié)周期過長，通常僅保溫時間就長達20h以上，這將導(dǎo)致FSZ材料的生產(chǎn)成本大幅增加。因此，急需一種使FSZ納米粉體在較低溫度下以常壓燒結(jié)的方式進行快速燒結(jié)，并能促進粉體的晶界擴散的同時抑制其晶界迀移，可有效解決了全穩(wěn)定氧化鋯粉體燒結(jié)過程中致密化與晶粒粗化矛盾的方法，即一種低溫常壓快速燒結(jié)全穩(wěn)定氧化鋯粉體的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]、要解決的問題
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種低溫常壓快速燒結(jié)全穩(wěn)定氧化鋯粉體的方法。通過在全穩(wěn)定氧化鋯粉體中引入微量熔鹽，并利用熔鹽在低溫下形成液相，在促進粉體晶界擴散的同時抑制其晶界迀移，從而有效解決了全穩(wěn)定氧化鋯粉體燒結(jié)過程中致密化與晶粒粗化的矛盾，實現(xiàn)了全穩(wěn)定氧化鋯粉體在較低溫度下以常壓燒結(jié)的方式進行快速燒結(jié)，并能抑制晶粒的長大從而保證材料的性能;此外，熔鹽中的陽離子以摻雜方式進入到Zr02晶格中，有利于進一步穩(wěn)定Zr02晶型，使材料的性能得到進一步改善。
[0005]、技術(shù)方案
為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
一種低溫常壓快速燒結(jié)全穩(wěn)定氧化鋯粉體的方法，包括如下步驟:
(1)將可溶性鋯鹽用蒸餾水進行溶解，形成穩(wěn)定透明的鋯鹽溶液；
(2)將穩(wěn)定劑溶液與鋯鹽溶液按一定比例進行混合；
(3)向所述步驟(2)所得混合溶液中加入稍過量的沉淀劑，并調(diào)節(jié)其pH值至7-10，得到均一穩(wěn)定的共沉淀產(chǎn)物；
(4)將所述步驟(3)所得的共沉淀產(chǎn)物進行反復(fù)洗滌，并于90°C下進行干燥，經(jīng)熱處理后自然冷卻得到前驅(qū)體；
(5)將所述步驟(4)所得前驅(qū)體與熔鹽溶液按一定比例混合均勻；
(6)將所述步驟(5)所得混合物干燥后進行研磨，過120目篩，再經(jīng)干壓成形制成生坯；
(7)將所述步驟(6)所得生坯置于電爐中進行煅燒，之后隨爐冷卻即得到全穩(wěn)定氧化鋯燒結(jié)體。
[0006]優(yōu)選地，所述步驟(2)中穩(wěn)定劑為氧化釔的鹽酸或硝酸溶液，或者是可溶性的釔鹽、鎂鹽、鈣鹽中的一種。
[0007]優(yōu)選地，所述步驟(2)中穩(wěn)定劑溶液與鋯鹽溶液按穩(wěn)定劑陽離子:Zr4+摩爾比為3:97?10:90的比例混合。
[0008]優(yōu)選地，所述步驟(3)中沉淀劑為Na0H、K0H、氨水或尿素中的一種。
[0009]優(yōu)選地，所述步驟(4)中熱處理溫度為600?800° C，熱處理時間為I?2h。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟(5)中熔鹽溶液包括CaCl2-MgCl2、CaCl2-CaO、CaCl2-BaCl2、BaCl2-MgCl2在內(nèi)的復(fù)合熔鹽溶液。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(5)中前驅(qū)體與熔鹽溶液按熔鹽陽離子:Zr4+摩爾比為3:97?7:93的例進行混合。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟(6)中干壓成形的壓制條件為:壓力100?200Mpa，保壓時間30?
120so
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(7)生坯煅燒條件為:以2?10 °C/min的升溫速率升溫至1190?1300 °C進行煅燒，達到煅燒溫度后保溫3?6 ho
[0014]、有益效果
相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
(1)本發(fā)明通過在全穩(wěn)定氧化鋯粉體中引入微量熔鹽，并利用熔鹽在低溫下形成的液相，從而促進了全穩(wěn)定氧化鋯粉體在常壓條件下的低溫快速燒結(jié)；
(2)本發(fā)明在促進全穩(wěn)定氧化鋯粉體晶界擴散的同時抑制了其晶界迀移，從而有效解決了燒結(jié)過程中致密化與晶粒粗化的矛盾，實現(xiàn)了全穩(wěn)定氧化鋯粉體在較低溫度下以常壓燒結(jié)的方式進行快速燒結(jié)，并能抑制晶粒的長大從而保證材料的性能;此外，熔鹽中的陽離子以摻雜方式進入到ZrO2晶格中，有利于進一步穩(wěn)定ZrO2晶型，使材料的性能得到進一步改塞.口 ，
(3)本發(fā)明所得全穩(wěn)定氧化鋯燒結(jié)體其平均抗彎強度大于450Mpa，理論密度大于93%，晶粒尺寸在425-520nm之間；
(4)本發(fā)明還具有制備工藝簡單，燒結(jié)體晶粒細小和致密度高的特點。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2為本發(fā)明全穩(wěn)定氧化鋯燒結(jié)體表面的SEM圖片；
圖3為本發(fā)明全穩(wěn)定氧化鋯燒結(jié)體的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進一步進行描述。
[0017]實施例1
如圖1所示，首先將Y2O3用濃硝酸進行溶解，形成0.2 mo I I—1穩(wěn)定透明的Y(NO3)3溶液。同時將硫酸鋯用蒸餾水進行溶解，形成0.2 mo I I—1穩(wěn)定透明的溶液。再將上述兩種溶液按照(Y3+:Zr4+)摩爾比為3:97的比例進行混合，并用氨水調(diào)節(jié)pH值至7。加入稍過量的飽和尿素溶液，并加熱至75°C，致溶液完全沉淀并形成均一穩(wěn)定的共沉淀產(chǎn)物;然后，將該共沉淀產(chǎn)物進行洗滌，于90 °C下干燥后并在600 °C下進行熱處理2 h，自然冷卻后得到前驅(qū)體。隨后將該前驅(qū)體與0.6mol I—1的CaCl2-MgCl2復(fù)合熔鹽(CaCl2/MgCl2摩爾比為0.474:0.526)溶液按(Ca2++Mg2+):Zr4+摩爾比為5:95的例進行混合均勻，經(jīng)干燥后研磨并過120目篩。采用干壓法在壓力為200Mpa，保壓時間為90s的壓力制度下將其壓制成生還;最后，將得到的生坯置于電爐中，并以5 °C/min的升溫速率升溫至1250 °(:進行煅燒，達到煅燒溫度后保溫4 h，之后隨爐冷卻即