專利名稱：大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法，特別是涉及一種應(yīng)用于熱噴涂和燒結(jié)成型的大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
熱噴涂使用傳統(tǒng)的陶瓷粉末(微米級)和優(yōu)化的熱噴涂參數(shù)可以制備出較高密度的涂層，但為了減少陶瓷中的應(yīng)力和防止開裂，往往在進(jìn)行噴涂時(shí)，基體需要冷卻，其結(jié)果是涂層中顆粒的結(jié)合力降低，在使用服役過程中，這種層狀顆粒容易脫落，大大縮短其使用壽命。然而當(dāng)陶瓷材料具有納米結(jié)構(gòu)時(shí)，其室溫脆性大大降低，韌性改善，涂層中內(nèi)應(yīng)力和開裂現(xiàn)象大大減少，同時(shí)，納米涂層不具有層狀結(jié)構(gòu)，在使用服役過程中，不會(huì)以層狀形式剝落，從而壽命大大延長，此外，在制備納米涂層時(shí)，基體不一定需要冷卻，工藝簡單。
國內(nèi)外研究實(shí)驗(yàn)表明小于100nm的納米粉末不能直接用來進(jìn)行熱噴涂。因?yàn)槌Ｒ?guī)納米粉末的流動(dòng)性極差，無法輸入等離子體中或高速火焰中，即使能勉強(qiáng)送進(jìn)去一些，這些質(zhì)量極小的小顆粒難以進(jìn)入粘性等離子中，另外，由于常規(guī)納米粉末具有比表面積大和單個(gè)顆粒質(zhì)量小的特點(diǎn)，在熱噴涂時(shí)物理、化學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變，結(jié)果是涂層質(zhì)量很差。
傳統(tǒng)微米級陶瓷粉末材料燒結(jié)成型后，其室溫脆性一直無法解決；而納米陶瓷材料在應(yīng)力的作用下，晶界可以發(fā)生滑動(dòng)，從而裂紋的形成及擴(kuò)散能力大大降低，韌性提高，脆性大大降低。
常規(guī)納米陶瓷粉末由于流動(dòng)性差、振實(shí)密度小等原因，很難直接壓制成高密度坯體，為提高燒結(jié)制品的密度，需要長時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)，這樣會(huì)導(dǎo)致晶粒長大，從而使材料失去納米結(jié)構(gòu)組織。
大顆粒球形納米陶瓷粉末，球形大顆粒尺寸為5～10μm，大顆粒內(nèi)部為結(jié)合緊密的納米顆粒，具有良好的流動(dòng)性，振實(shí)密度高，能直接壓制成高密度坯體，無需長時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)，使材料保持納米結(jié)構(gòu)組織，從而提高韌性，大大降低燒結(jié)制品的脆性。
綜上所述，無論是熱噴涂還是陶瓷燒結(jié)成型，大顆粒球形納米陶瓷粉末在航空航天、火力發(fā)電、汽車、化工、機(jī)械、冶金、紡織、印刷等眾多行業(yè)都具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種工藝流程簡單、生產(chǎn)成本較低的大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法；本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供幾種大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法。
為了獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末，本發(fā)明采用的生產(chǎn)方法包括以下步驟(1)、利用濕法球磨獲得水性納米膠體；(2)、將水性納米膠體噴霧干燥，獲得大顆粒球形納米陶瓷粉術(shù)；(3)、將噴霧干燥獲得的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行熱處理；
(4)、將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子體致密化。
本發(fā)明采用的納米粉體材料粒徑為5～90納米，納米粉體材料為納米單一氧化物、納米復(fù)合氧化物、納米碳化物、納米硼化物、納米硅化物及納米電池材料之一；其中，納米電池材料為γ-MnO2、α/β-Ni(OH)2、LiCoO2、LiMn2O4、FeS2之一；濕法球磨的球磨介質(zhì)為氧化鋯、碳化鎢之一，直徑介于Φ5mm～Φ10mm之間；球磨設(shè)備為周期式攪拌球磨機(jī)；濕潤介質(zhì)為超純凈水，分散介質(zhì)為表面活性劑，其中，表面活性劑為聚乙烯醇、聚乙二醇和羧甲基纖維素之一，用量為納米粉末重量的1～10wt％之間；通過這一方法，可獲得多相均勻，分散良好的水性納米膠體。
噴霧干燥方法為離心式噴霧干燥和壓力式噴霧干燥之一；噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度控制在240～360℃，出風(fēng)溫度控制在120～170℃，流量控制在5～100kg/h。通過這一噴霧干燥方法，水性納米膠體形成5～90μm之間的大顆粒球形納米陶瓷粉末。
熱處理設(shè)備為箱式電阻爐和連續(xù)推舟式燒結(jié)爐之一，熱處理溫度在650～1300℃之間。本熱處理工藝除去了表面活性劑和殘余水分，消除大顆粒球形納米陶瓷粉末的納米顆粒界面弛豫現(xiàn)象，并使大顆粒球形納米陶瓷粉末內(nèi)部的納米顆粒連結(jié)，而大顆粒之間并沒有連結(jié)。
等離子體致密化為直流等離子體致密化和感應(yīng)等離子體致密化之一，等離子體致密化的粉術(shù)注入方法為側(cè)而注入和軸向注入之一，送粉速度為10～100g/min，集粉裝置為水冷或空冷，等離子體的發(fā)生功率為40～100kw，溫度為5000～15000℃之間，等離子發(fā)生氣體為空氣、氫氣、氬氣、氮?dú)庵?。等離子體致密化進(jìn)一步提高了大顆粒球形納米陶瓷粉末的流動(dòng)性和振實(shí)密度，并使大顆粒球形納米陶瓷粉末多相更加均勻化，合金化。
依此方法獲得的大顆粒球形納米陶瓷粉末的粒度介于5～90微米之間。
大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法，包括應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備納米結(jié)構(gòu)涂層的方法和應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備具有納米結(jié)構(gòu)陶瓷制品的方法。
應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備納米結(jié)構(gòu)涂層的方法為將大顆粒球形納米陶瓷粉末，用熱噴涂的方式噴涂到工件上，以形成具有納米結(jié)構(gòu)的涂層；其中熱噴涂的方式為等離子噴涂、高速火焰噴涂、電弧噴涂之一。
應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備具有納米結(jié)構(gòu)陶瓷制品的方法為將大顆粒球形納米陶瓷粉末壓制成坯，燒結(jié)成型；其中燒結(jié)成型的方式為無壓燒結(jié)、有壓燒結(jié)之一，無壓燒結(jié)包括常規(guī)無壓燒結(jié)和微波燒結(jié)。
本發(fā)明生產(chǎn)的大顆粒球形納米陶瓷粉術(shù)，球形大顆粒尺寸為5～90μm，大顆粒內(nèi)部為結(jié)合緊密的納米顆粒，具有良好的流動(dòng)性，能像傳統(tǒng)微米級粉末一樣輸入等離子體中，制備出組織結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良、使用壽命長的納米涂層，可廣泛應(yīng)用于航空航天、火力發(fā)電、汽車、化工、機(jī)械、冶金、紡織、印刷等行業(yè)，所以，本發(fā)明是一種工藝流程簡單、切實(shí)可行的大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法。


圖1是本發(fā)明生產(chǎn)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，為了獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末，本發(fā)明采用的生產(chǎn)方法包括以下步驟(1)、利用濕法球磨獲得水性納米膠體；(2)、將水性納米膠體噴霧干燥，獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末；(3)、將噴霧干燥獲得的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行熱處理；(4)、將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子體致密化。
下面用具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1.
Al2O3-3wt％TiO2大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法將平均粒徑為70nm的Al2O3、TiO2納米粉末按重量比配料后投入球磨機(jī)內(nèi)，按照與納米粉末的1∶1～3的重量比注入超純凈水，按照總重量為納米粉體的1～10wt％注入表面活性劑，按照與粉體1∶1～2的重量比投入直徑Φ4.5mm～Φ10mm氧化鋯球磨介質(zhì)，球磨6～12小時(shí)；將球磨獲得的水性納米膠體進(jìn)行噴霧干燥，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為240～360℃，出風(fēng)溫度為120～170℃，流量為5～50kg/h，獲得5～90μm的大顆粒球形納米陶瓷粉末；將噴霧干燥的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行熱處理，熱處理設(shè)備為箱式電阻爐，熱處理溫度為650～1200℃；將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子致密化，等離子發(fā)生裝置功率為40～60kw，側(cè)面送粉，送粉速度為10～100g/min，等離子發(fā)生氣體為氬氣加少量的氫氣。
實(shí)施例2.
WC-12wt％Co大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法將平均粒徑為80nm的WC粉和Co粉按重量比配料后投入球磨機(jī)內(nèi)，按照與納米粉末的1∶1～3的重量比注入超純凈水，按照總重量為納米粉體的1～10wt％注入表面活性劑，按照與粉體1∶1～2的重量比投入直徑Φ4.5mm～Φ10mm碳化鎢球磨介質(zhì)，球磨6～12小時(shí)；將球磨獲得的水性納米膠體進(jìn)行噴霧干燥，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為240～360℃，出風(fēng)溫度為120～170℃，流量為5～50kg/h，獲得5～90μm的大顆粒球形納米陶瓷粉末；將噴霧干燥的大顆粒球形納米陶瓷粉末置于管式爐中進(jìn)行熱處理，通氫氣保護(hù)，熱處理溫度為450～1000℃；將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子致密化，等離子發(fā)生裝置功率為40～60kw，側(cè)面送粉，送粉速度為10～100g/min，等離子發(fā)生氣體為氬氣加少量的氫氣并通入0.2～1L/min的甲烷。
實(shí)施例3.
ZrO2-8wt％Y2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末采用等離子噴涂制備具有納米結(jié)構(gòu)的熱障涂層將平均粒徑為60nm的ZrO2、Y2O3納米粉末按重量比配料后投入球磨機(jī)內(nèi)，以下步驟參見實(shí)例1.的生產(chǎn)方法，直到獲得成品ZrO2-8wt％Y2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末。
采用的熱噴涂設(shè)備為大氣等離子噴涂機(jī)，額定功率為方便用戶40～100KW。熱噴涂工藝參數(shù)如下工作電流為500～800A，工作電壓為50～80V，等離子發(fā)生氣體(氬氣+少量氫氣)流量為50～100L/min，噴射距離為80～150mm，送粉器載氣流量為3～8L/min，送粉速度為10～100g/min。
將金屬工件先噴涂一層NiCrAlY過渡涂層，然后將前述制得的ZrO2-8wt％Y2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末裝入送粉器，按上述熱噴涂工藝參數(shù)要求操作，即可制得具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層。
實(shí)施例4.
Al2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末采用燒結(jié)成型制備具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷制品將平均粒徑為50nm的Al2O3納米粉末按一定重量投入球磨機(jī)內(nèi)，以下步驟參見實(shí)例1.的生產(chǎn)方法，直到獲得成品Al2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末(粒徑為5～10微米)。
將粒徑為5～10微米的Al2O3大顆粒球形納米陶瓷粉末壓制成坯體，壓力為50～500噸；微波燒結(jié)，功率為10～200KW，頻率為1200～2500MHz，溫度為650～1300℃，燒結(jié)時(shí)間為2～10min。即可制得具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷制品。
權(quán)利要求
1.一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是生產(chǎn)方法包括以下步驟(1)、利用濕法球磨獲得水性納米膠體；(2)、將水性納米膠體噴霧干燥，獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末；(3)、將噴霧干燥獲得的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行熱處理；(4)、將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子體致密化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是所用的納米粉體粒徑為5～90納米，納米粉體材料為納米單一氧化物、納米復(fù)合氧化物、納米碳化物、納米硼化物、納米硅化物及納米電池材料之一，所述的納米電池材料為γ-MnO2、α/β-Ni(OH)2、LiCoO2、LiMn2O4、FeS2之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是所述的濕法球磨的球磨介質(zhì)為氧化鋯、碳化鎢之一，直徑介于Φ5mm～Φ10mm之間；球磨設(shè)備為周期式攪拌球磨機(jī)；濕潤介質(zhì)為超純凈水，分散介質(zhì)為表面活性劑；所述的表面活性劑為聚乙烯醇、聚乙二醇和羧甲基纖維素之一，用量為納米粉末重量的1～10wt％之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是所述的噴霧干燥方法為離心式噴霧干燥和壓力式噴霧干燥之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大顆粒求形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是所述的熱處理設(shè)備為箱式電阻爐和連續(xù)推舟式燒結(jié)爐之一，熱處理溫度在650～1300℃之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法，其特征是所述的等離子體致密化為直流等離子體致密化和感應(yīng)等離子體致密化之一，等離子體致密化的粉末注入方法為側(cè)面注入和軸向注入之一，送粉速度為10～100g/min，集粉裝置為水冷或空冷，等離子體的發(fā)生功率為40～100kw，溫度為5000～15000℃之間，等離子發(fā)生氣體為空氣、氫氣、氬氣、氮?dú)庵换蚱浠旌稀?br> 7.一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法，其特征是應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備納米結(jié)構(gòu)涂層的方法為將大顆粒球形納米陶瓷粉末，用熱噴涂的方式噴涂到工件上，以形成具有納米結(jié)構(gòu)的涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法，其特征是所述的熱噴涂的方式為等離子噴涂、高速火焰噴涂、電弧噴涂之一。
9.一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法，其特征是應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備具有納米結(jié)構(gòu)陶瓷制品的方法為將大顆粒球形納米陶瓷粉末壓制成坯，燒結(jié)成型。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的應(yīng)用方法，其特征是所述的燒結(jié)成型的方式為無壓燒結(jié)、有壓燒結(jié)之一，無壓燒結(jié)包括常規(guī)無壓燒結(jié)和微波燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法,其特征是:生產(chǎn)方法包括以下步驟:(1)、利用濕法球磨獲得水性納米膠體;(2)、將水性納米膠體噴霧干燥,獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末;(3)、將噴霧干燥獲得的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行熱處理;(4)、將熱處理后的大顆粒球形納米陶瓷粉末進(jìn)行等離子體致密化。用此方法生產(chǎn)出來的納米陶瓷粉末流動(dòng)性好,振實(shí)密度高,可應(yīng)用于熱噴涂和燒結(jié)成型,大大降低了陶瓷脆性,提高了熱噴涂涂層和燒結(jié)制品的性能,是一種工藝流程簡單、生產(chǎn)成本低的大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法。應(yīng)用方法包括應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備納米結(jié)構(gòu)涂層的方法和應(yīng)用大顆粒球形納米陶瓷粉末制備具有納米結(jié)構(gòu)陶瓷制品的方法。
文檔編號C04B35/622GK1377857SQ0211398
公開日2002年11月6日 申請日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者蔣顯亮, 熊晟, 詹自勤, 賀惠明, 袁劍峰 申請人:湖南百富瑞材料有限責(zé)任公司