CN100519469C - 一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷块体材料的方法 - Google Patents
一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷块体材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及高纯Y2SiO5新陶瓷材料的制备技术，具体为一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法。在原料Y2O3和SiO2混合物中加入添加剂LiYO2，添加剂的含量为Y2O3、SiO2和LiYO2总质量的0.2～10.0%。混合均匀后，进行煅烧，煅烧温度为1250℃～1600℃，煅烧时间为1～5小时，得到高纯单相Y2SiO5粉末。粉末经球磨得到超细粉后，装入高强钢模具中单向冷压或进行冷等静压成型，得到相对密度为45～65%的生坯，在高温空气炉或氧气炉中进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃、烧结时间为0.5～2.5小时，得到的成品密度为理论密度的85～100%。本发明可以在相当低的温度下制备出具有高纯度的单相的大块致密的Y2SiO5陶瓷材料，可以作为高温结构材料、抗氧化性保护涂层等，在航空、航天方面有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的低温制备技术，具体为一种通过加入添加剂LiYO2降低合成温度、提高产物纯度、稳定高温相和促进烧结的方法。
背景技术
Y2SiO5是一种熔点为1950℃的新型难熔陶瓷材料，因而可以作为一种新型的高温结构材料，而且由于其具有高的杨氏模量、合适的热膨胀系数及好的抗腐蚀性能，Y2SiO5也可做为一种优良的抗氧化保护涂层，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前景。然而，Y2SiO5陶瓷在SiO2-Y2O3相图中不能固溶其组分，因而获得符合严格化学计量比的单相Y2SiO5是非常困难的。目前采用的制备方法包括用溶胶-凝胶法制备纳米SiO2/Y2O3前驱体再在1050℃左右煅烧而得到Y2SiO5相(材料研究通报，Mater.Res.Bull.36，1855，2001)。其缺点是前驱体昂贵、产量小及耗时长。最简单的合成方法是用混合粉末法来制备Y2SiO5，但是直接用SiO2-Y2O3粉末混合制备在很高的合成温度(～1600℃)及很长的保温时间(～15小时)下仍然存在杂质相(材料研究杂志，J.Mat.Res.16，2251，2001)。而且至今没有Y2SiO5块体材料及其性能的相关报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，通过加入添加剂LiYO2降低合成温度、提高产物纯度、促进烧结来制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料。
本发明的技术方案是：
一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，制备过程由两步组成。先制备Y2SiO5陶瓷粉料，在原料Y2O3和SiO2混合物中加入添加剂LiYO2，Y2O3和SiO2的摩尔比例为1:(0.7～15)，添加剂LiYO2的含量为Y2O3、SiO2和LiYO2总质量的0.2～10.0％，混合均匀后在高温空气电炉中进行煅烧，煅烧温度为1250℃～1600℃，煅烧时间为1～5小时，得到高纯单相Y2SiO5粉末。粉末经球磨得到超细粉后，再将粉料成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2.5小时，得到致密的单相Y2SiO5陶瓷材料。烧结后Y2SiO5陶瓷材料由单相组成，无其它杂质相，密度为理论密度的85％以上，甚至可达100％。
本发明Y2SiO5陶瓷的制备原材料为SiO2、Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末，粉末粒度为0.03-50μm。
所述添加剂LiYO2的优选加入量为Y2O3、SiO2和LiYO2总质量的0.25～8.0％。
煅烧后的粉末经行星式球磨机球磨9～24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250～400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。
所述生坯成型方式为：将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15～65MPa，或进行冷等静压成型，成型压力为50～300MPa，得到初始相对密度为45～65％的生坯。
所述无压烧结工艺为，升温速率为2～25℃/min，降温速率为2～50℃/min。
所述成型后的Y2SiO5生坯的烧结方法为：生坯在高温空气电炉或氧气炉中进行无压烧结，得到致密的单相Y2SiO5陶瓷材料；所述烧结气氛为空气或氧气。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在原料中掺入少量添加剂LiYO2，使Y2SiO5陶瓷材料的合成温度降低了达350℃，纯度大幅度提高，产物稳定性显著提高并且促进了烧结。用无压烧结的方法制备出了大块无杂质、高温和低温稳定、致密均匀的Y2SiO5陶瓷块体材料。
2、本发明烧结温度低、保温时间短、所用设备简单、成本低，用SiO2、Y2O3粉末在1250℃～1600℃、煅烧1～5小时即可得到单相Y2SiO5粉末，粉末单向干压成型或冷等静压后在1100～1600℃、无压烧结0.5～2小时即可。
3、本发明制备的大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的添加剂LiYO2在制备过程中会分解挥发而不影响Y2SiO5的各种高低温性能，保持了Y2SiO5陶瓷的诸多优点，因而在航空、航天方面有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的添加剂LiYO2的含量对Y2SiO5陶瓷合成反应的影响X射线衍射分析曲线，并与用材料研究软件Cerius 2(美国分子模拟公司，MolecularSimulation Inc.，USA)模拟的理论Y2SiO5X射线衍射曲线进行对比。
图2为实施例2中烧结后Y2SiO5陶瓷的扫描电镜照片。
图3为实施例3中烧结后Y2SiO5陶瓷的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
原材料为SiO2，Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末，粉末粒度为5μm。将6克SiO2、25克Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末混合在异丙醇中用磁力搅拌5小时，其中添加剂LiYO2的含量分别为总质量的0％、1％、3％。混合后粉末干燥后在高温空气电炉中1450℃煅烧1.5小时。用X射线衍射分析LiYO2含量对Y2SiO5陶瓷合成反应的影响(图1)，图1中(a)代表LiYO2含量为零的X射线衍射曲线，(b)代表LiYO2含量为1％的X射线衍射曲线，(c)代表LiYO2含量为3％的X射线衍射曲线，(d)代表模拟理论Y2SiO5的X射线衍射曲线；从图中可以看出随着LiYO2的加入，SiO2/Y2O3之间的反应速度显著增加。随着LiYO2含量的增加，杂质相Y4.67(SiO4)3O，Y2Si2O7和Y2O3基本消失。
煅烧后的粉末经行星式球磨机球磨12小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为300转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。
再将粉料成型后得到生坯，将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为30MPa，得到初始相对密度为55％的生坯。
最后，生坯在高温空气电炉中进行无压烧结，烧结气氛为空气，烧结温度为1420℃，升温速率为10℃/min，烧结时间为2小时，降温速率为25℃/min，降至室温，得到致密的单相Y2SiO5陶瓷材料。烧结后Y2SiO5陶瓷材料由单相组成，无其它杂质相，密度为4.32g/cm3，相对密度为97.3％。本实施例材料的基本力学性能如下表所示：
实施例2
与实施例1不同之处在于：
原材料为SiO2，Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末，粉末粒度为2μm。将13克SiO2、50克Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末混合在异丙醇中用磁力搅拌5小时，其中添加剂LiYO2的含量为3克。混合后粉末干燥后在高温空气电炉中1500℃煅烧1.5小时得到纯净Y2SiO5陶瓷粉末。
将Y2SiO5陶瓷粉末经行星式球磨机球磨10小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为350转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。
再将干燥粉末冷等静压得到生坯，成型压力为280MPa，得到初始相对密度为65％的生坯。
生坯在高温空气电炉中1400℃保温1小时无压烧结，升温速率为5℃/min烧结气氛为空气，降温速率为25℃/min，降至室温，得到致密的大块纯净Y2SiO5陶瓷体材料，密度为4.44g/cm3，相对密度为100％。致密材料经热腐蚀后的晶粒扫描电镜照片见图2。本实施例材料的基本力学性能如下表所示：
实施例3
与实施例1不同之处在于：
原材料为SiO2，Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末，粉末粒度为10μm。将8克SiO2，30克Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末混合在异丙醇中用磁力搅拌8小时，其中添加剂LiYO2的含量为1.5克。混合后粉末干燥后在高温空气电炉中1400℃煅烧4小时得到纯净Y2SiO5陶瓷粉末。
煅烧后的粉末经行星式球磨机球磨20小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。
再将干燥粉末冷等静压成型后得到生坯，冷等静压成型压力为200MPa，得到初始相对密度为60％的生坯。
在氧气炉中通氧气在1350℃无压烧结1.5小时，升温速率为10℃/min，降温速率为35℃/min，降至室温，得到致密的大块纯净Y2SiO5陶瓷体材料，密度为4.30g/cm3，相对密度为97％。陶瓷体材料经腐蚀后用扫描电镜观察，照片见图3。本实施例材料的基本力学性能如下表所示：
综上所述，本发明可以在相当低的温度下制备出具有高纯度的单相的大块致密的Y2SiO5陶瓷材料，试验证明，该材料具有高温热稳定、抗氧化、较高的热膨胀系数及足够低的高温氧扩散系数等特性，可以作为高温结构材料、抗氧化性保护涂层等。
Claims (8)
1、一种低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：制备过程由两步组成，先制备Y2SiO5陶瓷粉料，在原料Y2O3和SiO2混合物中加入添加剂LiYO2，Y2O3和SiO2的摩尔比例为1:(0.7～1.5)，添加剂LiYO2的含量为Y2O3、SiO2和LiYO2总质量的0.2～10.0％；混合均匀后进行煅烧，煅烧温度为1250℃～1600℃，煅烧时间为1～5小时，得到高纯单相Y2SiO5粉末，粉末经球磨得到超细粉后，再将粉料成型得到生坯进行无压烧结，烧结温度为1100～1600℃，烧结时间为0.5～2.5小时，烧结后Y2SiO5陶瓷材料无其它杂质相，密度为理论密度的85～100％。
2、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：所述添加剂LiYO2的加入量为Y2O3、SiO2和LiYO2总质量的0.25～8.0％。
3、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：煅烧后的粉末经行星式球磨机球磨9～24小时，球磨罐和球磨介质均采用玛瑙材质，球磨转速为250～400转/分钟，将球磨介质与粉末分离并干燥得到平均颗粒尺寸为0.03～2微米的超细粉。
4、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于所述生坯成型方式为：将干燥粉末装入高强钢模具中单向冷压，压强为15～65MPa，或进行冷等静压成型，成型压力为50～300MPa，得到初始相对密度为45～65％的生坯。
5、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：所述成型后的Y2SiO5生坯的烧结方法为：生坯在高温空气电炉或氧气炉中进行无压烧结，得到致密的单相Y2SiO5陶瓷材料。
6、按权利要求5所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：所述烧结气氛为空气或氧气。
7、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：所述无压烧结工艺为，升温速率为2～25℃/min，降温速率为2～50℃/min。
8、按权利要求1所述的低温制备大块致密高纯单相Y2SiO5陶瓷材料的方法，其特征在于：所述SiO2、Y2O3粉末和添加剂LiYO2粉末粒度为0.03-50μm。
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