專利名稱：一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷材料領域，具體涉及一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法。
背景技術：
本發明是開發一種可用于冶金、汽車、航天等領域的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。 該復合材料是以鈦酸鋁為主成分，與少量的納米鈦酸鋯與納米氧化鈦復合而成，該復合材料 具有良好的高溫性能、強度及抗熱震性。
目前鋼鐵冶金方坯連鑄系統中的鋼水中間包氧化鋯(Zr02)定徑水口材料存在著受瞬時 熱沖擊作用極易發生熱震開裂剝落、水口孔徑擴大導致澆鋼作業中斷甚至造成跑鋼以至于損 毀連鑄關鍵設備結晶器。急需研究開發一種耐高溫、熱膨脹系數較小、高抗熱震性的高溫結 構陶瓷材料，替代現有的定徑水口氧化鋯材料。
鈦酸鋁(Al2Ti05)陶瓷材料具有高的熔點(186(TC)，在室溫 100(TC溫度范圍，鈦酸鋁 具有低的熱膨脹系數a (ci小于零，或接近于零)，是目前僅有的低膨脹、高熔點的抗熱震 陶瓷材料。但是鈦酸鋁陶瓷材料具有兩個缺點 一是鈦酸鋁晶體各晶軸的熱膨脹差異較大， 導致鈦酸鋁在冷卻時產生微裂紋，故而鈦酸鋁材料的機械強度較低，常溫抗折強度低于20 MPa; 二是高溫合成的鈦酸鋁降溫至900。C 130(TC不穩定，分解成金紅石(Ti02)和剛玉
(a-Al203)，而失去了低膨脹特性。在鈦酸鋁合成配料中引入Si02、 MgO、 MgF2、 Zr02、 Fe203等穩定劑，鈦酸鋁中溫分解得到有效抑制，其強度也有所改善。
鈦酸鋁陶瓷材料在齒科不銹鋼合金熔煉坩堝、有色金屬鋁冶煉柑堝、鑄鋁升液管、浮法 玻璃流液閘板、汽車尾氣凈化器載體等。引入穩定劑的鈦酸鋁材料其強度有所提高(常溫抗 折強度30MPa左右)，但仍屬較低強度陶瓷材料，限制了鈦酸鋁材料在鋼鐵冶金、航天等領 域的進一步應用。王志發等以工業氧化鋁和鈦白粉為原料，似少量Si02、 MgF2為穩定劑，所 研制的鈦酸鋁坩堝具有優良的抗熱震及抗鋼液侵蝕性能。應用于口腔齒科合金鋼義齒的感應 熔煉鑄造過程，可經受室溫 165(TC感應熔煉的溫度急變20次未開裂損壞，且鈦酸鋁坩堝經 受165(TC合金鋼液的熔煉鑄造過程，坩堝內表面基本無合金鋼液殘留及侵蝕痕跡，但該鈦酸 鋁坩堝存在強度較低的缺點。
氧化鋯(Zr02)的熔點為2677t:，對金屬及硅酸鹽熔渣具有優良的抗侵蝕能力。本發明 采用在鈦酸鋁材料中引入少量的納米氧化鋯(n-Zr02)及納米氧化鈦(n-Ti02)，制備耐高溫、高強度、高抗熱震性能的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料，為鋼鐵及有色冶金、航天等工業 領域提供一種新型高溫結構材料，該復合材料有望作為鋼鐵冶金連鑄定徑水口的更新材料。 國內外在鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料方面的研究與應用尚未見報道。
發明內容
本發明的發明目的在于上述現有技術中的不足，提供一種耐高溫、強度高、高抗熱震的 鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法。 本發明的技術方案與技術特征為
本發明為一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于該復合材料所 用原料以及原料的重量百分比為鈦酸鋁粉91 94.5%，納米氧化鋯粉4.5 8%，納米氧化
鈦粉1 1.5%;該復合材料制備包括以下步驟坯料制備；坯體成型；坯體干燥；坯體高溫 燒成。
該復合材料所用原料的粒徑鈦酸鋁粉〈0.03mm，納米氧化鋯粉<100nm，納米氧化鈦 粉〈100nm。
該復合材料所用原料純度的重量百分比含量為鈦酸鋁粉中的Al2TiO5》90%，納米氧化 鋯粉中的Zr02》99%，納米氧化鈦粉Ti02》99%。
該復合材料坯料制備方法是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉干混后，與足 夠量的酚醛樹脂-乙醇稀釋液混合形成料漿，對料槳攪拌IO分鐘后去除乙醇得到供成型的坯 料。酚醛樹脂-乙醇稀釋液所用的是醇溶性的液態熱固型酚醛樹脂，該稀釋液中酚醛樹脂的質 量濃度為1.5%。 .
該復合材料坯體成型方法是釆用液壓壓力成型、摩擦壓力成型，坯體成型壓強為100 150MPa;成型方法還包括等靜壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、輥壓成型、真空擠壓成型
或凝膠注模成型。
該復合材料坯體干燥方法是；成型后坯體在110'C干燥2h。
該復合材料坯體燒成方法是干燥后坯體經1500 1550°C保溫時間2 3 h燒成后得到
鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。該復合材料的燒結方法包括常壓燒結、熱壓燒結、真空
燒結或氮氣燒結。
本發明鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料配料組成確定的技術思路為
在Al203-Ti02-Zr02三元系統中，Zr02-Al2Ti05-ZrTi04子系統低共熔溫度為1590°C， Al2TiOrZrTi04-Ti02子系統的低共熔溫度為1580°C，兩個低共熔溫度點的組成位置基本處Al2Ti05含量為35%~50%的范圍內，因此制備Al2Ti05-Zr02- ZrTi04復合材料的組成點應遠離 兩個低共熔點位置，且在Zr02-Al2Ti05-ZrTi04三元相圖的Al2Ti05與Zr02的連線附近。
在Al2Ti05組成點到ZrTi04組成點的組成線上，從八121105與Zr02質量比為90 : 10的 組成點至Al2TiOs的范圍內，處于液相線180(TC以上的高溫區。故在以上比例范圍內配料， 可得到耐高溫的Ab03-Ti02-Zr02復合材料。本發明制備鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料的配 料組成確定為近Al2Ti05端的高溫區域。
根據復相材料的復相韌化機理，以及利用納米氧化鋯顆粒高比表面能的活性燒結作用， 在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯，在復合材料燒成過程中，可防止鈦酸鋁晶粒的不均勻生長， 獲.得納米氧化鋯結合鈦酸鋁的均勻細晶結構。在鈦酸鋁材料中引入1 1.5%的納米氧化鈦， 可與納米氧化鋯高溫反應形成約1.5 2.2%的產物新相鈦酸鋯，該新相鈦酸鋯與鈦酸鋁固溶 并促進鈦酸鋁的燒結。
綜上所述，本發明在鈦酸鋁材料中引入納米氧化鋯及納米氧化鈦，利用納米氧化鋯與納 米氧化鈦的活性燒結作用、二者反應形成新相鈦酸鋯的促進燒結作用，制備出耐高溫、高強 度、高抗熱震的納米氧化鋯結合鈦酸鋁復合材料，該復合材料有望應用于鋼鐵冶金澆鋼系統， 成為鋼鐵冶金連鑄定徑水口的的更新材料，并可應用推廣有色冶金、玻璃、汽車尾氣凈化器、 航天、軍工等領域。
具體實施方式
實施例1
復合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉94.5X， 〈100nm的納米氧化鋯 粉4.5%， 〈10()nm的納米氧化鈦粉lX，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化 鈦粉干混后，與足夠量的乙醇-酚醛樹脂稀釋液混合形成料漿，對料槳攪拌10分鐘后去除乙 醇得到供成型的坯料；坯體成型壓強為100MPa;坯體在ll(TC干燥2 h;干燥后坯體經1500 保溫時間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料的氣孔率為8.24%，抗折強度為58.2 MPa，熱膨脹系 數a為0.86X1(T6/°C (室溫 1000。C)，熱震斷裂次數為35次(1100。C 室溫水冷)。
實施例2
復合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉93X， <100 nm的納米氧化鋯粉 6%， 〈100nm的納米氧化鈦粉lX，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉200810182037.5 釋液混合形成料漿，對料漿攪拌10分鐘后去除乙醇得 到供成型的坯料；坯體成型壓強為100MPa;坯體在ll(TC干燥2 h;干燥后坯體經1500保溫 時間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料的氣孔率為7.41%，抗折強度為67.4 MPa，熱膨脹系 數a為1.05X10，C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數為34次(110(TC 室溫水冷)。
鈦酸鋁粉91 94.5%，納米氧化鋯粉4.5 8%，納米氧化鈦粉1 1.5%; 實施例3
復合材料坯料的重量百分比為〈0.03mm的鈦酸鋁粉91X， <100 nm的納米氧化鋯粉 7.5%， 〈100nm的納米氧化鈦粉1.5X，坯料制備是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化 鈦粉干混后，與足夠量的乙醇-酚醛樹脂稀釋液混合形成料漿，對料漿攪拌10分鐘后去除乙 醇得到供成型的坯料；坯體成型壓強為lOOMPa;坯體在11(TC干燥2h;干燥后坯體經1500 保溫時間2 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。
燒后鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料的氣孔率為5.11%，抗折強度為77.2MPa，熱膨脹系 數a為1.32X10—6廠C (室溫 100(TC)，熱震斷裂次數為31次(1100。C 室溫水冷)。
權利要求
1、一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于該復合材料所用原料以及原料的重量百分比為鈦酸鋁粉91～94.5％，納米氧化鋯粉4.5～8％，納米氧化鈦粉1～1.5％。該復合材料制備包括以下步驟坯料制備；坯體成型；坯體干燥；坯體高溫燒成。
2、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于所用 原料的粒徑為鈦酸鋁粉<0.03 mm，納米氧化鋯粉< 100 nm，納米氧化鈦粉< 100 nm。
3、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于所用 原料純度的重量百分比含量為鈦酸鋁粉中的Al2TiO5》90%，納米氧化鋯粉中的Zr02》99%， 納米氧化鈦粉Ti02》99%。
4、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于坯料 制備方法是將鈦酸鋁粉與納米氧化鋯粉、納米氧化鈦粉干混后，與足夠量的酚醛樹脂-乙醇 稀釋液混合形成料漿，對料漿攪拌IO分鐘后去除乙醇得到供成型的坯料。
5、 如權利要求4所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于酚醛 樹脂-乙醇稀釋液所用的是醇溶性的液態熱固型酚醛樹脂，該稀釋液中酚醛樹脂的質量濃度為 1.5 0/o。
6、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于坯體 成型方法是采用液壓壓力成型、摩擦壓力成型，坯體成型壓強為100 150MPa;成型方法還包括等靜壓成型、熱壓鑄成型、注漿成型、輥壓成型、真空擠壓成型或凝膠注模成型。
7、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于坯體干燥方法是成型后坯體在110'C干燥2h。
8、 如權利要求1所述的鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，其特征在于坯體 燒成方法是干燥后坯體經1500 1550°C保溫2 3 h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復 合材料；該復合材料的燒成方法包括常壓燒成、熱壓燒成、真空燒成或氮氣燒成。
全文摘要
本發明涉及一種鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料及其制備方法，屬陶瓷材料領域。該復合材料所用原料以及原料的重量百分比為＜0.03mm鈦酸鋁粉91～94.5％，＜100nm納米氧化鋯粉4.5～8％，＜100nm納米氧化鈦粉1～1.5％。其制備方法是將上述原料干混后，與足夠量的酚醛樹脂-乙醇稀釋液混合后攪拌10分鐘，將攪拌后的料漿去除乙醇后得到供成型的坯料；坯體成型壓強100～150MPa；成型后坯體在110℃干燥2h；干燥后坯體經1500～1550℃保溫2～3h燒成后得到鈦酸鋁-氧化鋯-鈦酸鋯復合材料。該材料的強度比普通鈦酸鋁材料高的多，是冶金、玻璃、汽車、航天等領域有希望的更新材料。
文檔編號C04B35/622GK101423390SQ20081018203
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者卜景龍, 朱寶利, 王志發, 王瑞生, 翠 賈 申請人:河北理工大學