一种碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法

摘要

一种碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料，包括以下质量百分比的各组分：Al2O391-98％、CNTs0.5-8％、MgO0.5-1.5％、Y2O30.05-0.15％。其制备方法是首先将配比量的Al2O3、MgO和Y2O3湿球磨24-72小时，然后加入配比量的经预处理的CNTs继续湿球磨8-12小时得到混合浆料，经干燥、研磨得到混合粉料(I)，将混合粉料(I)加入含有石蜡的溶剂汽油中超声分散1-2小时，干燥、研磨过60-200目筛得到混合粉料(II)，混合粉料(II)经压片、脱蜡后得到试样片，将试样片置于石墨炉中，在Ar气气氛下于1500-1800℃埋粉常压烧结0.5-4小时得到本复合材料。本复合材料的致密度可达到95％以上，三点抗弯强度提高40％以上，断裂韧性提高15％左右。

说明书

一、技木领域

本发明涉及一种以陶瓷为基体的复合材料及其制备方法，尤其涉及一种非金属纤维增强氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法，确切地说是一种碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料及其制备方法。

二、背景技术

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。在机械、电子电力、化工和医学等方面都有着广泛的应用，目前在航空航天等高科技领域里，氧化铝陶瓷也越来越显得重要。氧化铝陶瓷熔点高，硬度高，且有优良的热稳定性和化学稳定性，是优异的工程陶瓷材料之一。但其受抗弯强度和断裂韧性的影响，导致其综合力学性能不好，局限了在某些应用领域里的应用。因此如何改善氧化铝陶瓷的综合力学性能，已经渐渐成为了材料行业中研究的重点。如何在较明显的提高氧化铝陶瓷抗弯性能和断裂韧性的同时，还能维持在一个较低的成本下，已经成为该研究领域的重点研究项目，这对实际生产生活有着重大的意义。

在氧化铝陶瓷的实际实验和生产应用中，一般常采用热压烧结或放电等离子烧结的方法，比如日本的Mehdi Estili就用热压烧结方法制备出了碳纳米管增韧氧化铝陶瓷复合材料，但这两种方法效率低，成本高。如果采用常压烧结，既可以提高了效率，又降低了成本。

三、发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，旨在提供一种碳纳米管增韧氧化铝复合材料，所要解决的技术问题是提高氧化铝基体的断裂韧性、三点抗弯强度等综合力学性能，并简化加工工艺。

本发明采用下述技术方案：

本发明的碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料，以氧化铝为基体，碳纳米管为增强相，与现有技术的区别是，本复合材料包括以下质量百分比的各组分：

氧化铝(Al₂O₃)           91-98％

碳纳米管(CNTs)          0.5-8％

氧化镁(MgO)             0.5-1.5％

氧化钇(Y₂O₃)            0.05-0.15％。

上述碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料的制备方法，包括CNTs的预处理、混合粉料的制备以及压片和烧结，CNTs通常需要经酸洗、分散这样的预处理后才能应用，本申请首先将CNTs置于体积比为3∶1的98％浓硫酸和68％浓硝酸的混合酸中于100-130℃搅拌酸洗15-50min，冷却后离心分离并水洗至水洗液呈中性(pH＝7)，然后将酸洗后的CNTs置于无水乙醇溶剂中，加入质量百分浓度3-8％的分散剂十二烷基苯磺酸纳超声分散6-18小时后脱溶、干燥得到预处理的CNTs。

所述的混合粉料的制备是首先将配比量的Al₂O₃同配比量的烧结助剂MgO和Y₂O₃湿球磨24-72小时，然后加入配比量的预处理的CNTs湿球磨8-12小时得到混合浆料，经干燥后研磨得到混合粉料(I)。

所述的湿球磨是使用无水乙醇为介质的湿球磨。

所述压片是上述混合粉料(I)投入溶剂汽油中，同时加入1-8％(质量百分比)的石蜡搅拌溶解后超声分散1-2小时，然后干燥、研磨过筛得混合粉料(II)，混合粉料(II)用压片机压片，最后埋粉脱蜡，即梯度升温至400-600℃致石蜡完全逸出得到试样片。

所述的烧结是对上述试样片在氩(Ar)气气氛中于1500-1800℃埋粉常压烧结0.5-4小时。

具体操作步骤如下：

一、CNTs预处理

1、将CNTs投入配制的混合酸中，在100-130℃下酸洗10-50min，冷却后离心分离并用蒸馏水洗涤至水洗液pH值至7，离心转速10000-15000R/min。

2、将酸洗后的CNTs加入无水乙醇中，同时加入3-8％的分散剂十二烷基苯磺酸钠，超声分散6-18小时后脱去无水乙醇，并在80-100℃下干燥。

二、混合粉料的制备

3、将配比量的Al₂O₃同配比量的MgO和Y₂O₃加入球磨罐内同时加入无水乙醇湿磨24-72小时，然后加入配比量的预处理后的CNTs，继续球磨8-12小时，得到混合浆料，球磨罐转速为300-450R/min。球料比2∶1，无水乙醇的液面不超过球磨罐高度的2/3。

4、将混合浆料放入干燥箱，于60-100℃干燥12-18小时，然后研磨，得到混合粉料(I)。

三、压片、脱蜡

5、将混合粉料(I)加入适量的溶剂汽油中，同时加入1-8％的石蜡，搅拌溶解后超声分散1-2小时，然后在60-100℃下烘干，研磨过60-200目筛，得到混合粉料(II)。

6、将混合粉料(II)用压片机在50-200MPa下保压1-5min压片。

7、压片脱模后埋粉脱蜡，梯度升温至400-600℃使石蜡气化逸出至完全。

四、烧结

8、将脱蜡后的试样片投入石墨罐中，埋粉常压烧结，即在Ar气气氛下梯度升温至1500-1800℃保温0.5-4小时。随炉冷却后得到碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明以氧化铝为基体，碳纳米管为增强相，碳纳米管凭借其独特的拓扑结构以及高比强度、高韧性等特点，既可以起到提高基体力学性能的作用，又改善了基体的韧性。通过超声、离心等手段，减小了碳纳米管团聚现象的出现，使其较均匀的分散在氧化铝陶瓷基体中，体现碳纳米管的良好性能，更好地起到了增强的作用。本发明通过合理添加烧结助剂，适当降低烧结温度，在保证较高致密度的同时，控制了成本。本发明制得的碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料的致密度可达到95％以上，三点抗弯强度提高40％以上，断裂韧性提高15％左右。

本发明不仅提供了一种性能良好的复合材料，而且有效的解决了该复合材料制备工程中碳纳米管分散以及烧结升温控制的两个问题。本发明工艺简单，可操作性强，成本相对较低。

四、附图说明

图1为碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料的表面SEM图。

图2为碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料的断口SEM图，图中黑色箭头指示碳纳米管。

五、具体实施方式

非限定实施例叙述如下：

实施例1CNTs-Al₂O₃复合材料的制备

1、碳纳米管预处理

将碳纳米管置于以体积比为3∶1的98％浓硫酸和68％浓硝酸的混合酸中，在110℃下加热20Min，冷却后离心分离，转速14000R/min，并用蒸馏水洗涤至pH值等于7，将酸洗后的碳纳米管置于无水乙醇中，该无水乙醇内含有质量百分浓度为4wt％的分散剂十二烷基苯磺酸钠，超声分散12小时后干燥，将超声分散后得到的碳纳米管在80℃下烘干，得到预处理的碳纳米管。

2、混合粉料的制备

取原料氧化铝17.9g、氧化镁0.18g、氧化钇0.015g，将上述原料置于刚玉球磨罐内，球料比为2∶1，加入无水乙醇作为球磨介质，液面不超过球磨罐高度的2/3，球磨罐转速为400R/Min，球磨48小时，然后加入预处理的碳纳米管0.66g，球磨罐转速300R/min，球磨8小时得到混合浆料；

将混合浆料放入干燥箱，温度为80℃，烘干24小时，然后研磨，得到混合粉料(I)。

3、压片、脱蜡

将混合粉料(I)置于适量的溶剂汽油内，该溶剂汽油内含有质量百分浓度为3wt％的石蜡，搅拌均匀后超声分散1小时，然后在80℃下烘干，烘干后研磨并过80目筛，得到混合粉料(II)。

利用压片机对混合粉料(II)进行压片，压力100MPa，保压2min，卸压、脱模得到试样片。

试样片埋粉脱蜡，自室温升至120℃后每升温30-50℃保温半小时，至温度500℃后保温使石蜡逸出完全。

4、烧结

将脱蜡后的试样片装在石墨罐中，埋粉处理进行烧结。在Ar气氛下，温度为1700℃，自室温升至250-300℃后每升温30-50℃保温半小时的方式梯度升温，到温度后保温2h，随炉冷却后得到碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料。

实施例2CNTs-Al₂O₃复合材料的制备

本实施例中与实施例1的不同点在于烧结温度下保温时间为0.5h。其他同实施例1。本实施例的碳纳米管增强氧化铝陶瓷复合材料的致密度为98.02％，相比较于未添加碳纳米管的氧化铝陶瓷而言，三点抗弯强度提高40％以上，断裂韧性提高了15％左右。

实施例3CNTs-Al₂O₃复合材料的制备

本实施例中与实施例2的不同点在于烧结温度为1550℃。其他同实施例2。