Y2O3粉体的改性及胶态成型工艺制备Y2O3透明陶瓷

来源 :东北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhang19890922
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本论文研究适合烧结的Y2O3纳米粉体的预处理技术,研究影响纳米氧化钇粉体胶态成型工艺中水基悬浮液的稳定性和流变学特性的一些因素,为制备大尺寸和复杂形状的透明氧化钇陶瓷奠定理论和实践基础。论文取得如下主要结果:(1)通过使用H2SO4处理实现了商业Y2O3粉体的SO42-添加,获得了具有出色的烧结活性的纳米氧化钇粉体,并明确了 H2SO4的作用机制。发现经过煆烧后,未添加的粉体颗粒具有尖的边缘和平的表面状态,而添加H2SO4可以使粉体有圆的边缘,即呈各向同性,而且经过煅烧后H2SO4处理后得到的粉体有更小的颗粒尺寸和更少的团聚体。添加H2SO4有利于形成促进颗粒粗化的机制,颗粒长大的过程中颗粒相互间的烧结被一定程度抑制;对于未处理的粉体,促进致密化的传质机制起着主导作用,颗粒的粗化和烧结同时发生,在煅烧过程中产生硬团聚的粉体。添加7mol%H2SO4经过煅烧可获得分散良好具有出色的烧结性质的粉体。最佳的H2SO4添加量与在粉体表面实现单层的饱和吸附有关。在添加7mol%H2SO4条件下,当粉体煅烧温度为1100℃,所获得的粉体分散性好,具有高的烧结活性。研究表明,所有添加H2SO4的样品真空烧结后是透明的,而未添加制备出的烧结体是不透明的。添加7 mol%H2SO4经过1100℃锻烧所获得粉体,经过1700℃烧结5 h后得到的烧结体光学透过性最好,1.5 mm厚的样品在800 nm处的透过率可达到~70%。(2)系统研究了柠檬酸铵(TAC)加入比例,悬浮液pH值,固相体积分数等因素对氧化钇悬浮液稳定性和流变性的影响。明确了 TAC对Y2O3悬浮液的稳定机制,发现分散剂TAC的添加使粉体的等电点向酸性方向移动,TAC在粉体表面为单层吸附,饱和吸附量为0.33 mg/m2,最佳用量1 wt%,添加1 wt%TMAH可以进一步改善悬浮液的稳定性。制备出了固相含量大于20 vol%的悬浮液,最高固相含量为35 vol%,离心成型得到的坯体相对密度为28.5%-38.84%。为了增强坯体的致密性,离心成型后得到素坯需经过等静压的处理再进行真空烧结。通过真空烧结制备出了高光学透过性的透明陶瓷,所得到的1.2 mm厚的陶瓷在800 nm处样品的透过率为74.5%。(3)提出通过H3PO4实现氧化钇粉体表面改性从而提高氧化钇悬浮液固相体积分数的方法。未处理的Y2O3悬浮液的pH值在120 min之内从9.34快速增加到10.45,H3PO4处理的粉体悬浮液经过长时间的搅拌,pH一直维持在9.34附近。H3PO4的处理使粉体表面形成一层磷酸盐保护层,因此可以抑制粉体的水解。添加0.5-1.0wt%H3PO4处理的粉体悬浮液的稳定性最好,粘度较低,沉降速率较慢,粒度分布窄。TAC的添加使粉体的等电点向酸性方向移动,在碱性条件下,极大地增加Zeta电位的绝对值。最佳的TAC的添加量为1.5 wt%,素坯的相对密度达到40.06%。悬浮液的分散时间对其稳定性有一定的影响。通过悬浮液粘度随球磨时间的变化,悬浮液的粘度随着球磨时间的增加先减小,在球磨6 h时达到最小,进一步增加球磨时间,悬浮液的粘度又增大。制备出不同固相含量的陶瓷悬浮液,素坯的相对密度为49.24%,微观结构均一,粉体团聚程度较低。经过1600℃在空气中烧结,烧结体的密度可达98.59%,而经过1700℃烧结密度可达到99%。(4)考察了不同的处理方式和不同分散剂对Y2O3悬浮液的稳定性的影响。采用一定工艺的水洗处理,可以实现最好的Y2O3粉体的预处理。与未处理的粉体相比,水洗处理的粉体的悬浮液的粘度有很大程度的降低,而且稳定时间较长,可达到6 h,并且随分散时间的延长,pH的变化较小。分散剂聚甲基丙烯酸铵(A40)、2,3-二羟基苯甲酸、聚乙烯亚铵(PEI)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别可以通过不同的稳定机制而不同程度地增强Y2O3悬浮液的稳定性。选择分散剂为A40,添加量为1.3wt%时所制备的Y2O3悬浮液的稳定性能好。该条件制备出不同固相含量的悬浮液,当固含量为37 vol%时,其坯体的密度最高,达到了理论密度的58%。1700℃烧结得到的1.5 mm厚的烧结体在800 nm波长处透过率达到了 36%,实现了透明陶瓷的制备。对坯体进行等静压处理,可以改善烧结体的致密性,烧结后得到的样品的透过率在800 nm波长处透过率达到了71.6%。烧结体具有均一的微观结构。通过凝胶注模成型工艺制备出了复杂形状的透明Y2O3陶瓷,在800 nm处样品的透过率为73%,而在2000 nm处的透过率为78%。这为制备高度透明、大尺寸、复杂形状的Y2O3陶瓷材料奠定了基础。
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