一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料及其制备方法

摘要

一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料及其制备方法。制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下原材料制成：Al2O3粗细颗粒；α-Al2O3、TiO2、Al粉细粉。首先将细粉按比例装入尼龙球罐中干混，然后在强制混炼机中将粗细颗粒加入酚醛树脂和乙二醇混炼，机压成型。压好的试样经干燥后在流动氮气下常压原位烧结反应得到Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。本发明构思新颖，采用板状刚玉颗粒作为骨架，保证了多孔陶瓷材料具有足够的强度和硬度，利用TiO2和金属Al之间的原位反应生成TiN，同时金属Al的消耗以及热爆反应引发的孔隙形成均匀的孔结构。制备工艺及设备简单，成本低，易于规模化生产。

权利要求

1.一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，其特征在于，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉0.801％～

30.54％,TiO2微粉6.5274％～27.04％,Al粉2.93％～12.16％；

所述Al2O3粗颗粒的直径为1～0.5mm；所述Al2O3细颗粒的直径为不大于0.5mm；

所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8～10μm；所述TiO2微粉的平均粒度为不大于

1μm；所述Al粉的D50中值粒径为10～50μm；

所述的Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将α-Al2O3微粉、TiO2微粉、Al粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，干混后取出，将Al2O3粗细颗粒按比例放在强制混练机中，外加酚醛树脂，混练后再加入乙二醇继续混练后装入密封袋中困料后待用；

(2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，压制成长方体样块；

(3)压制好的生坯试样在干燥箱中干燥至试样完全干燥；

(4)将制备好的试样放在石墨匣钵中，高温氮化反应过程在氮气流量立式碳管炉内进行；将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空然后充满高纯氮气，如此反复操作两次；在烧结过程中，保持氮气流动，尾气通过排水法排出室外；

所述步骤(2)中，成型压力为100～150MPa，保压时间为1～3分钟，压制成

25mm×25mm×125mm的长方体样块；

所述步骤(3)中，压制好的生坯试样在干燥箱中100～110℃干燥24h；

所述步骤(4)中高温氮化反应过程中氮气流量为500l/h；将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到0～-0.1MPa；在烧结过程中，保持50ml～60ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外；室温～1000℃升温速度为2～3℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度1～2℃/min；

烧结温度为1500℃，保温1～3h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

2.如权利要求1所述的一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，其特征在于，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉

20.86％,TiO2微粉13.20％,Al粉5.94％；所述Al2O3粗颗粒的直径为0.8mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.3mm；所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8μm；所述TiO2微粉的平均粒度为1μm；所述Al粉的D50中值粒径为15μm。

3.如权利要求1所述的一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，其特征在于，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉

10.95％,TiO2微粉20.04％,Al粉9.01％；所述Al2O3粗颗粒的直径为0.8mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.3mm；所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8μm；所述TiO2微粉的平均粒度为1μm；所述Al粉的D50中值粒径为15μm。

说明书

一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到材料科学领域，尤其是Al2O3-TiN多孔陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前未见有Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的报道。Al2O3陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨性以及耐高位和稳定的化学性质，在电子、冶金、化工、机械等各个领域得到广泛的应用，但其较高的烧结温度明显增加制备成本而且加工的难度增大，同时Al2O3陶瓷的脆性大大限制了其应用前景。由于TiN和Al2O3在物理化学上的性能相近，在Al2O3基体材中添加TiN能显著增强复合材料的韧性、强度、耐磨性以及导电性。

[0003] 传统的Al2O3-TiN复合材料制备主要是利用氧化铝和氮化钛粉经混合后在较高压力下经1700℃左右的高温下热压烧结，或是利用钛白粉和金属铝或碳原位反应合成粉料后再热压烧结、气压烧结等，或采用放电等离子烧结，传统制备设备及工艺复杂，生产效率低下，成本高，不利于复合材料的推广应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于向Al2O3基体中添加TiO2和Al粉，通过铝热还原热爆反应的方法，在降低Al2O3陶瓷烧结温度的同时，通过原位反应生成高耐磨强度的TiN颗粒，在保持其高硬度、高强度的基础上，常压制备出工艺简单、成本低廉、孔径均匀地Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

[0005] 本发明的基本构思是：将两种粒径不同的Al2O3粗细颗粒作为骨料，α-Al2O3、TiO2、Al粉作为细粉按比例混合模压，采用流动氮气气氛下常压原位 反应烧结。在合理的升温速率、合理的烧结温度以及保温时间下制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。用金属作结合剂取代传统烧结结合，可以降低制品的烧结温度，烧结后制品中的金属与原料中的物质原位反应形成难熔化合物。

[0006] 本发明的技术方案提供一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉0.801％～30.54％,TiO2微粉6.5274％～27.04％,Al粉2.93％～12.16％。

[0007] 进一步地，所述Al2O3粗颗粒的直径为1～0.5mm；所述Al2O3细颗粒的直径为不大于0.5mm。

[0008] 进一步地，所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8～10μm；所述TiO2微粉的平均粒度为不大于1μm；所述Al粉的D50中值粒径为10～50μm。

[0009] 制备本发明所述的Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的方法，包括以下步骤：

[0010] (1)将α-Al2O3微粉、TiO2微粉、Al粉各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，干混后取出，将Al2O3粗细颗粒按比例放在强制混练机中，外加酚醛树脂，混练后再加入乙二醇继续混练后装入密封袋中困料后待用；

[0011] (2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，压制成长方体样块；

[0012] (3)压制好的生坯试样在干燥箱中干燥至试样完全干燥；

[0013] (4)将制备好的试样放在石墨匣钵中，高温氮化反应过程在氮气流量立式碳管炉内进行；将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空然后充满高纯氮气，如此反复操作两次；在烧结过程中，保持氮气流动，尾气通过排水法排出室外。

[0014] 所述步骤(1)进一步优选为，α-Al2O3微粉、TiO2微粉、Al粉各种细粉与刚玉球的重量比为1：2～1:3，干混时间为6～10小时；酚醛树脂添加量为Al2O3粗细颗粒加细粉总质量的1％～2％，混练时间为10～30分钟；乙二醇的添加量为Al2O3粗细颗粒加细粉总质量的总质量的1％～3％，混练时间为20～30分钟；困料时间为1～2h。进一步优选为，将α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，其中料：球比为1：2，干混8小时后取出，将粗细颗粒按比例放在小型强制混练机中，外加1.5％(wt)酚醛树脂，混练10分钟后再加入总质量的2％的乙二醇继续混练20分钟后装入密封袋中困料1h待用。

[0015] 所述步骤(2)中进一步优选为，成型压力为100～150MPa，保压时间为1～3分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块；再进一步优选为将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，成型压力为100MPa，保压1分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块。为避免成型过程中出现的层裂，在制样过程中需缓慢、均匀的增加和释放压力，适当增加加荷卸荷的次数，使残余变形逐渐减小，提高压制生坯的密度。

[0016] 所述步骤(3)进一步优选为，压制好的生坯试样在干燥箱中100～110℃干燥24h；再进一步优选为压制好的生坯试样在干燥箱中110℃干燥24h，使试样中的水分充分排出，酚醛树脂得到固化，使试样具有一定的强度。

[0017] 所述步骤(4)进一步优选为，高温氮化反应过程中氮气流量为500l/h；将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到0～-0.1MPa；在烧结过程中，保持50ml～60ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外；室温～1000℃升温速度为2～3℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～ 1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度1～2℃/min；烧结温度为1500℃，保温1～3h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。再进一步优选为，本发明采用流动氮气下的反应烧结。为了营造还原性反应气氛，将制备好的试样放在石墨匣钵中。高温氮化反应过程在氮气流量为500l/h的立式碳管炉内进行。将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到-0.1MPa，然后充满高纯氮气，如此反复操作两次，使炉内为纯净的N2气。在烧结过程中，保持50ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外。室温～1000℃升温速度为3℃/min，并在特殊温度点下分别进行了保温，＞
1000℃升温速度2℃/min。烧结温度为1500℃，保温3h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

[0018] 合成的Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的体积密度2.38～2.85g/cm3；气孔率28.73～41.75％；抗弯强度11.08～23.81Mpa；平均孔径108.4～296.9nm。参见附图1、附图2。

[0019] 由附图1可以看出，按照本发明的制备方法在1200℃下烧结试样的XRD分析结果中，得到主晶相为TiN和Al2O3。

[0020] 由附图2可以看出，按照本发明的制备方法烧结试样得到的孔径分布集中在0～1μm之间，而且主要集中在300nm以下范围内。

[0021] 本发明构思新颖，采用板状刚玉作为骨架，保证了多孔陶瓷材料具有足够的强度和硬度，利用TiO2和金属Al之间的原位反应生成TiN，同时金属Al的消耗以及热爆反应引发的孔隙形成均匀的孔结构。制备工艺及设备简单，成本低，易于规模化生产。

附图说明

[0022] 图1：Al2O3-TiN多孔陶瓷的XRD图谱分析；

[0023] 图2：Al2O3-TiN多孔陶瓷的气孔孔径分布曲线；

[0024] 图3：Al2O3-TiN多孔陶瓷烧结工艺升温制度曲线；

[0025] 图中1表示Al2O3、2表示TiN、3表示Al、Tx-2表示1200℃；Tx-3表示1300℃；Tx-4表示1400℃；Tx-5表示1500℃。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图及实施例证对本发明作进一步的阐明。

[0027] 实施例1

[0028] 本发明的技术方案提供一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉30.54％,TiO2微粉6.53％,Al粉2.93％。所述Al2O3粗颗粒的直径为1mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.5mm。所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为9.42μm；所述TiO2微粉的平均粒度为0.5μm；所述Al粉的D50中值粒径为38.28μm。

[0029] 制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的方法，包括以下步骤：

[0030] (1)将α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，其中料：球比为1：2，干混8小时后取出，将粗细颗粒按比例放在小型强制混练机中，外加1.5％(wt)酚醛树脂，混练10分钟后再加入总质量的2％的乙二醇继续混练20分钟后装入密封袋中困料1h待用。

[0031] (2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，成型压力为100MPa，保压1分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块。为避免成型过程中出现的层裂，在制样过程中需缓慢、均匀的增加和释放压力，适当增加加荷卸荷的次数，使残余变形逐渐减小，提高压制生坯的密度。

[0032] (3)压制好的生坯试样在干燥箱中110℃干燥24h，使试样中的水分充分 排出，酚醛树脂得到固化，使试样具有一定的强度。

[0033] (4)本发明采用流动氮气下的反应烧结。为了营造还原性反应气氛，将制备好的试样放在石墨匣钵中。高温氮化反应过程在氮气流量为500l/h的立式碳管炉内进行。将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到-0.1MPa，然后充满高纯氮气，如此反复操作两次，使炉内为纯净的N2气。在烧结过程中，保持50ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外。室温～1000℃升温速度为3℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度2℃/min。烧结温度为1500℃，保温3h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

[0034] 实施例2

[0035] 本发明的技术方案提供一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉20.86％,TiO2微粉13.20％,Al粉5.94％。所述Al2O3粗颗粒的直径为0.8mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.3mm。所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8μm；所述TiO2微粉的平均粒度为1μm；所述Al粉的D50中值粒径为15μm。

[0036] 制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料的方法，包括以下步骤：

[0037] (1)将α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，干混后取出，将Al2O3粗细颗粒按比例放在强制混练机中，外加酚醛树脂，混练后再加入乙二醇继续混练后装入密封袋中困料后待用；α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉与刚玉球的重量比为1：3，干混时间为6小时；酚醛树脂添加量为粗细颗粒加细粉总质量的1％，混练时间为15分钟；乙二醇的添加量为粗细颗粒加细粉总质量的1％，混练时间为25分钟；困料时间为1.5h。

[0038] (2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，成型压力为120MPa，保压1.5分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块。为避免成型过程中出现的层裂，在制样过程中需缓慢、均匀的增加和释放压力，适当增加加荷卸荷的次数，使残余变形逐渐减小，提高压制生坯的密度。

[0039] (3)压制好的生坯试样在干燥箱中100℃干燥24h，使试样中的水分充分排出，酚醛树脂得到固化，使试样具有一定的强度。

[0040] (4)本发明采用流动氮气下的反应烧结。为了营造还原性反应气氛，将制备好的试样放在石墨匣钵中。高温氮化反应过程在氮气流量为500l/h的立式碳管炉内进行。将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到-0.05MPa，然后充满高纯氮气，如此反复操作两次，使炉内为纯净的N2气。在烧结过程中，保持60ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外。室温～1000℃升温速度为2℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度1℃/min。烧结温度为1500℃，保温2h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

[0041] 实施例3

[0042] 本发明的技术方案提供一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，所述Al2O3-TiN多孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉10.95％,TiO2微粉20.04％,Al粉9.01％。所述Al2O3粗颗粒的直径为0.8mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.3mm。所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8μm；所述TiO2微粉的平均粒度为1μm；所述Al粉的D50中值粒径为15μm。

[0043] 制备Al2O3-TiN陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：

[0044] (1)将α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球 磨介质为刚玉球，干混后取出，将Al2O3粗细颗粒按比例放在强制混练机中，外加酚醛树脂，混练后再加入乙二醇继续混练后装入密封袋中困料后待用；α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉与刚玉球的重量比为1：2.5，干混时间为10小时；酚醛树脂添加量为粗细颗粒加细粉总质量的2％，混练时间为30分钟；乙二醇的添加量为粗细颗粒加细粉总质量总质量的3％，混练时间为30分钟；困料时间为2h。

[0045] (2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，成型压力为150MPa，保压3分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块。为避免成型过程中出现的层裂，在制样过程中需缓慢、均匀的增加和释放压力，适当增加加荷卸荷的次数，使残余变形逐渐减小，提高压制生坯的密度。

[0046] (3)压制好的生坯试样在干燥箱中105℃干燥24h，使试样中的水分充分排出，酚醛树脂得到固化，使试样具有一定的强度。

[0047] (4)本发明采用流动氮气下的反应烧结。为了营造还原性反应气氛，将制备好的试样放在石墨匣钵中。高温氮化反应过程在氮气流量为500l/h的立式碳管炉内进行。将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到-0.07MPa，然后充满高纯氮气，如此反复操作两次，使炉内为纯净的N2气。在烧结过程中，保持60ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外。室温～1000℃升温速度为2.5℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度1.5℃/min。烧结温度为1500℃，保温1h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。

[0048] 实施例4

[0049] 本发明的技术方案提供一种Al2O3-TiN多孔陶瓷材料，所述Al2O3-TiN多 孔陶瓷材料由以下重量比的原料构成：Al2O3粗颗粒15％,Al2O3细颗粒45％,α-Al2O3微粉0.80％,TiO2微粉27.04％,Al粉12.16％。所述Al2O3粗颗粒的直径为0.8mm；所述Al2O3细颗粒的直径为0.3mm。所述α-Al2O3微粉的D50中值粒径为8μm；所述TiO2微粉的平均粒度为1μm；所述Al粉的D50中值粒径为15μm。

[0050] (1)将α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉按要求的比例放入尼龙球磨罐中，球磨介质为刚玉球，干混后取出，将Al2O3粗细颗粒按比例放在强制混练机中，外加酚醛树脂，混练后再加入乙二醇继续混练后装入密封袋中困料后待用；α-Al2O3、TiO2、Al各种细粉与刚玉球的重量比为1：2.3，干混时间为7小时；酚醛树脂添加量为粗细颗粒加细粉总质量的1.8％，混练时间为25分钟；乙二醇的添加量为粗细颗粒加细粉总质量总质量的1.7％，混练时间为26分钟；困料时间为1.7h。

[0051] (2)将经过搅拌、碾压、困料后，充分混合均匀的原料，在液压机上进行干压成型，成型压力为125MPa，保压2.5分钟，压制成25mm×25mm×125mm的长方体样块。为避免成型过程中出现的层裂，在制样过程中需缓慢、均匀的增加和释放压力，适当增加加荷卸荷的次数，使残余变形逐渐减小，提高压制生坯的密度。

[0052] (3)压制好的生坯试样在干燥箱中108℃干燥24h，使试样中的水分充分排出，酚醛树脂得到固化，使试样具有一定的强度。

[0053] (4)本发明采用流动氮气下的反应烧结。为了营造还原性反应气氛，将制备好的试样放在石墨匣钵中。高温氮化反应过程在氮气流量为500l/h的立式碳管炉内进行。将试样装好后置于炉膛内，将整个真空炉抽真空到-0.07MPa，然后充满高纯氮气，如此反复操作两次，使炉内为纯净的N2气。在烧结过程中，保持60ml/min氮气流动，尾气通过排水法排出室外。室温～ 1000℃升温速度为3℃/min，分别在890～900℃条件下保温120分钟；1120～1130℃条件下保温120分钟，＞1000℃升温速度2℃/min。烧结温度为1500℃，保温3h后自然冷却制备Al2O3-TiN多孔陶瓷材料。