氧化鋁-氧化鋯陶瓷的制備

1、氧化鋁氧化鋁-氧化鋯氧化鋯陶瓷的制備陶瓷的制備指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：梁小平梁小平 教授教授 李建新李建新 教授教授2012014 4年本科生大型綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)瓯究粕笮途C合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)背景（一）氧化鋁陶瓷（一）氧化鋁陶瓷（二）氧化鋯陶瓷（二）氧化鋯陶瓷（三）氧化鋁（三）氧化鋁-氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鋁有（剛玉型）、等11種變體，其中主要是、兩種晶型，而且只有一種熱力學(xué)穩(wěn)定相，即氧化鋁。而氧化鋁是含堿的鋁酸鹽(R2O11Al2O3或RO6Al2O3)。它們的結(jié)構(gòu)各不相同。氧化鋁俗稱(chēng)剛玉，熔點(diǎn)高，硬度大，耐化學(xué)腐蝕，優(yōu)良的介電性，是氧化鋁各種型態(tài)中最穩(wěn)定的晶型，也是自然界中唯一存在的氧化鋁的晶型。氧化

2、鋁陶瓷 少量鈦（Ti）和鐵（Fe）雜質(zhì)所致； 紅色來(lái)自鉻(Cr) Al2O3陶瓷的成型 氧化鋁陶瓷成型的方法有許多種，依產(chǎn)品的形狀、大小、復(fù)雜性與精度等要求選用合適的成型方式。最常用的方法有干壓法成型干壓法成型、注漿成注漿成型型、擠壓成型擠壓成型、冷等靜壓法成型冷等靜壓法成型（CIP),注射成注射成型型、流延成型流延成型、熱壓成型熱壓成型與熱等靜壓成型熱等靜壓成型(HIP)以及近幾年來(lái)新開(kāi)發(fā)的壓濾成型壓濾成型、凝膠注成型凝膠注成型、固體自由成型制造技術(shù)固體自由成型制造技術(shù)等。Al2O3陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝陶瓷的低溫?zé)Y(jié)工藝 液相燒結(jié)液相燒結(jié) 熱等靜壓燒結(jié)法熱等靜壓燒結(jié)法 微波加熱燒結(jié)法微波加熱燒

3、結(jié)法 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 微波等離子體燒結(jié)微波等離子體燒結(jié) 放電等離子燒結(jié)放電等離子燒結(jié)Al2O3陶瓷的性能和應(yīng)用 氧化鋁陶瓷的用途是十分廣泛的，根據(jù)氧化鋁含量不同，其性能不同，用途也各有差異。 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高：氧化鋁燒結(jié)后的抗彎強(qiáng)度可達(dá)250MPa,熱壓產(chǎn)品可達(dá)500MPa。氧化鋁的成分愈純，強(qiáng)度愈高。強(qiáng)度在高溫下可維持到900。利用氧化鋁陶瓷的這一性質(zhì)可以制成裝置瓷裝置瓷和其他機(jī)械構(gòu)件。 電阻率高，電絕緣性好電阻率高，電絕緣性好：氧化鋁的常溫電阻率約為1015cm，絕緣強(qiáng)度15Kv/mm，利用其絕緣性和強(qiáng)度可制成各種基板、管座、火花塞和電路外殼等 硬度高： 莫氏硬度為9，加上優(yōu)良的抗磨

4、損性，所以廣泛地用以制造刀具、磨輪、磨料、拉絲模、擠壓模、軸承等。用A12O3陶瓷刀具加工汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)零件時(shí)，可以以高的切削速度獲得高的精度。 熔點(diǎn)高，抗腐蝕：熔點(diǎn)高，抗腐蝕：氧化鋁的熔點(diǎn)為2050，能較好地抵抗一些熔融金屬的侵蝕，可用作耐火材料、爐管，熱電偶保護(hù)套等。 化學(xué)穩(wěn)定性好：化學(xué)穩(wěn)定性好： 許多復(fù)合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸不與A12O3作用。因此A12O3可以制備人體關(guān)節(jié)、人工骨等生物陶瓷材料。高熔點(diǎn)高硬度可制成透明陶瓷無(wú)毒、不溶于水，強(qiáng)度高主要特性主要用途坩堝剛玉球磨機(jī)高壓鈉燈的燈管水龍頭閥門(mén)芯 將氧化鋁陶瓷主要特性和

5、主要用途一對(duì)應(yīng)并連線(xiàn)氧化鋁陶瓷的不足 氧化鋁陶瓷材料的脆性極大地限制了它的推廣應(yīng)用!為了減小脆性，除了采用先進(jìn)的制備工藝外，人們研究了許多增韌的手段。 ZrO2相變?cè)鲰g、納米技術(shù)增韌、晶須和纖維增韌、顆粒彌散增韌、復(fù)合增韌、表面改性增韌等。 純凈的ZrO2為白色粉末，含有雜質(zhì)時(shí)略帶黃色或灰色。氧化鋯有三種晶相，分別為單斜晶相、四方晶相和立方晶相，三者之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系如下： 單斜ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO2會(huì)產(chǎn)生78%的體積收縮，而逆向轉(zhuǎn)變則會(huì)有相應(yīng)的體積膨脹，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一般采用添加穩(wěn)定劑（CaO、MgO、Y2O3、CeO2）的方法來(lái)制備氧化鋯陶瓷材料。 由于它的一些良好的性能(如它的斷裂韌性高

6、于氧化鋁陶瓷)，因而越來(lái)越受到人們的重視。氧化鋯陶瓷ZrO2陶瓷增韌機(jī)制 氧化鋯增韌機(jī)制有多種氧化鋯增韌機(jī)制有多種:相變?cè)鲰g 微裂紋增韌 彌散增韌 氧化鋯陶瓷性質(zhì)與應(yīng)用Y-TZP陶瓷由于具有良好的性能，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。磨介：磨介：YTZP相對(duì)于鋯珠、氧化鋁球、玻璃球和鋼球而言，其耐磨性最好，目前正逐步取代其他磨介，在涂料等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。用量最大的就是磨球，國(guó)內(nèi)主要有深圳南玻深圳南玻等廠(chǎng)商在生產(chǎn)。工藝路線(xiàn)為干壓和等靜壓成形工藝，以等靜壓工藝為主。磨介市場(chǎng)非常廣闊，雖然普通的磨球市場(chǎng)已經(jīng)飽合，但是各種研磨罐、攪拌磨中的磨盤(pán)和磨頭等由于制備工藝相對(duì)復(fù)雜，仍主要以國(guó)外產(chǎn)品為主。 切割應(yīng)

7、用切割應(yīng)用：在特定的切割應(yīng)用中， YTZP占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，特別是對(duì)一些韌性和強(qiáng)度要求不是很高的場(chǎng)合， YTZP刀具得到了極大的發(fā)展。例如光纖剪刀、切紙刀、民用刀具和理發(fā)推剪等。其中發(fā)展比較成功的是京瓷京瓷的民用刀具，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)際品牌。 閥類(lèi)應(yīng)用：這類(lèi)應(yīng)用市場(chǎng)范圍廣泛。最典型的產(chǎn)品是氧化鋯水閥片氧化鋯水閥片。氧化鋯主要用于制作油田和化工行業(yè)中用的球閥球閥等。國(guó)內(nèi)有深圳南玻等廠(chǎng)商在生產(chǎn)。工藝路線(xiàn)主要采用等靜壓工藝。這類(lèi)產(chǎn)品加工和成品率非常重要，部件大，成品率對(duì)成本影響很大。 陶瓷軸承：陶瓷軸承：在陶瓷軸承方面，氧化鋯陶瓷相對(duì)于氮化硅陶瓷并不是最好，其主要優(yōu)勢(shì)是成本較低?？?/p>

8、用于抗腐蝕、避免污染的場(chǎng)合，如食品工業(yè)等。另外一個(gè)領(lǐng)域就是新開(kāi)發(fā)的陶瓷風(fēng)扇陶瓷風(fēng)扇，這大大拓展了氧化鋯陶瓷軸承的應(yīng)用空間。富士通公司首先推出了陶瓷軸承風(fēng)扇，獲得了較好的市場(chǎng)響應(yīng)。軸芯全面采用3nm氧化鋯 生物應(yīng)用：生物應(yīng)用：研究表明, 氧化鋯在人體口腔中無(wú)過(guò)敏現(xiàn)象, 在合理設(shè)計(jì)的前提下, 可保證使用50年年依然堅(jiān)固. 氧化鋯可以用于幾乎所有的義齒設(shè)計(jì)中, 它使牙橋制做的長(zhǎng)度不再有限制- 無(wú)論是螺栓固定式或粘接式。它 也是用于種植牙技術(shù)的最好材料。實(shí)際上, 氧化鋯全瓷牙已不再是單純的義意上的義齒, 它更適用于人們對(duì)美的越來(lái)越高的追求! 氧化鋯: 堅(jiān)如鋼,白如雪! 個(gè)人用品：個(gè)人用品：氧化鋯陶瓷耐

9、磨性好，硬度高，可以?huà)伖鈷伖馇彝庥^美觀，因此可作為手表帶、表殼及其他裝飾部件。陶瓷表源于瑞士雷達(dá)表，后來(lái)國(guó)內(nèi)有優(yōu)尼克、潮州三環(huán)和北京建材院下屬公司等一些企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)。目前主要生產(chǎn)表帶，以黑和白為主，藍(lán)、金和紅等其他顏色也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，制備工藝以熱壓鑄和干壓為主。氧化鋁-氧化鋯陶瓷 由于這兩種陶瓷具有良好的化學(xué)和物理相容性，由于這兩種陶瓷具有良好的化學(xué)和物理相容性，因此，利用氧化鋯和氧化鋁復(fù)合，相互之間可以因此，利用氧化鋯和氧化鋁復(fù)合，相互之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。往氧化鋁基質(zhì)中添加氧化鋯來(lái)提高氧取長(zhǎng)補(bǔ)短。往氧化鋁基質(zhì)中添加氧化鋯來(lái)提高氧化鋁的韌性，這樣的復(fù)相陶瓷被稱(chēng)為化鋁的韌性，這樣的復(fù)相陶瓷被稱(chēng)為ZT

10、A(zirconia-toughened alunina)；反之，則稱(chēng)為；反之，則稱(chēng)為ADZ(alumina-dispersed zirconia)。二、實(shí)驗(yàn)部分氧化鋁-氧化鋯陶瓷的制備（一）實(shí)驗(yàn)原料（一）實(shí)驗(yàn)原料（二）（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備（三）正交法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（三）正交法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（四）時(shí)間安排、開(kāi)題、結(jié)題以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（四）時(shí)間安排、開(kāi)題、結(jié)題以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（五）思考題（五）思考題（一）實(shí)驗(yàn)原料（一）實(shí)驗(yàn)原料（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)流程圖實(shí)驗(yàn)流程圖配料配料球磨球磨混料混料成型成型燒結(jié)燒結(jié)測(cè)試測(cè)試29（三）正交實(shí)驗(yàn) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)： 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用規(guī)格化的正交表，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出試驗(yàn)

11、方案和有效地分析試驗(yàn)結(jié)果，提出最優(yōu)配方和工藝條件，并進(jìn)而設(shè)計(jì)出可能更優(yōu)秀的試驗(yàn)方案的一種科學(xué)方法30SNLq 正交表是一種特別的表格，是正交設(shè)計(jì)的基本工具。正交表是一種特別的表格，是正交設(shè)計(jì)的基本工具。我們只介紹它的記號(hào)、特點(diǎn)和使用方法。我們只介紹它的記號(hào)、特點(diǎn)和使用方法。 正交表的記號(hào)及含義正交表的記號(hào)及含義記號(hào)及含義記號(hào)及含義 正交表的列數(shù)正交表的列數(shù)（最多能安排的因素個(gè)數(shù)，（最多能安排的因素個(gè)數(shù)，包括交互作用、誤差等）包括交互作用、誤差等）S正交表的行數(shù)正交表的行數(shù)（需要做的試驗(yàn)次數(shù)）（需要做的試驗(yàn)次數(shù)）N各因素的水平數(shù)各因素的水平數(shù)（各因素的水平數(shù)相等）各因素的水平數(shù)相等）q正交表正交

12、表的代號(hào)的代號(hào)L31如如 782L表示表示 782L表示各因素的表示各因素的水平數(shù)水平數(shù)為為2，做做8次試驗(yàn)次試驗(yàn)，最多考慮，最多考慮7個(gè)個(gè)因素因素（含交互作用）的（含交互作用）的正正交表交表。32 正交表的特點(diǎn)正交表的特點(diǎn)1、正交表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；、正交表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；表示：在試驗(yàn)安排中，所挑選出來(lái)的水平組合是均勻表示：在試驗(yàn)安排中，所挑選出來(lái)的水平組合是均勻 分布的（每個(gè)因素的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同）分布的（每個(gè)因素的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同） 均衡分散性均衡分散性2、正交表中任意兩列，把同行的兩個(gè)數(shù)字看成有序數(shù)、正交表中任意兩列，把同行的兩個(gè)數(shù)

13、字看成有序數(shù) 對(duì)時(shí)，所有可能的數(shù)對(duì)出現(xiàn)的次數(shù)相同。對(duì)時(shí)，所有可能的數(shù)對(duì)出現(xiàn)的次數(shù)相同。表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選試驗(yàn)中出現(xiàn)表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選試驗(yàn)中出現(xiàn) 的次數(shù)相等的次數(shù)相等 整齊可比性整齊可比性這是設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表的基本準(zhǔn)則這是設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表的基本準(zhǔn)則 33正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟 1、明確試驗(yàn)?zāi)康?，確定考核指標(biāo) 2、選定因素（包括交互作用）、確定水平 3、選用合適的正交表 4、按選定的正交表設(shè)計(jì)表頭，確定試驗(yàn)方案并組織實(shí)施試驗(yàn) 5、試驗(yàn)結(jié)果分析 6、若最佳組合方案在試驗(yàn)中未出現(xiàn)，如果條件允許，應(yīng)安排一次驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)行確認(rèn)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備ADZ陶瓷，考察燒結(jié)助劑含量、第二相含量和燒結(jié)溫度對(duì)其性能的影響。分別測(cè)試體積密度、氣孔率、硬度，分別考察因素對(duì)體積密度、硬度的影響分組：一共27人，分9大組，每組3人，每組有1個(gè)組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)總結(jié)匯報(bào)。（四）時(shí)間安排結(jié)題報(bào)告要求： 實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器實(shí)驗(yàn)試劑與儀器 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 結(jié)論結(jié)論 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 思考題思考題實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)： 實(shí)驗(yàn)中使用高溫爐，注意使用耐高溫手套，實(shí)驗(yàn)中使用高溫爐，注意使用