一种层状高度织构陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及高度织构陶瓷技术领域，具体涉及一种层状高度织构陶瓷及其制备方法。

背景技术：

高织构陶瓷结合了单晶和多晶材料各自的优点，能充分发挥材料中晶体的各向异性所表现的物理特性，是一类具有特殊功能、潜力巨大的新型功能材料。传统的制备高织构度陶瓷的方法主要有以下方法：热加工(热锻、热轧、热挤以及磁场、电场辅助等)、拓扑化学反应以及气相沉积、多晶溅射等，其中以热锻为首的热加工处理能够用以大规模制备高织构陶瓷块体。热锻与普通的热压工艺类似，都是在轴压应力的作用下产生形变，二者的区别在于，热锻使用的是更大或者不用模具。因此，热锻加工的样品形变量很大，同时也具有更高的织构度。但是此类热加工方法具有能耗高(高温)、烧结时间长(加压速度越慢织构度越高)、设备投入大等缺点。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种层状高度织构陶瓷及其制备方法，其能有效解决现有加工方法存在的所需能耗较高、烧结时间较长以及设备投入量较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种层状高度织构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1)将层状陶瓷粉体与溶剂按照20～40g/l的质量体积比混合，之后在10⁴～4×10⁴转/分的速度下进行高速剪切工序，即得超细粉体分散液；

2)将超细粉体分散液依次经过干燥工序后得到纳微米粉体；

3)将干燥粉体倒入模具中，于300～800℃温度下进行热处理，保温5～10min后进行脱模，即得层状高度织构陶瓷。

其中，步骤1)中层状陶瓷粉体与溶剂的混合液中还加入浓度为45～50mg/l的表面活性剂，所述表面活性剂为己胺、胆酸钠、二甲基亚砜中的一种或多种。

其中，高速剪切的剪切时间为2小时，且以运行3～5min、停止3～5min为一周期；同时，高速剪切工序中混合液的温度不高于60℃。

其中，步骤3)置于石墨模具后，需要经过抽真空操作，真空度为4～6pa；热处理温度是以100℃/min的加热速度，保温是在50mpa环境下进行的；其中热处理为放电等离子烧结或热压或热加工。

本发明还按照上述制备方法获得了层状高度织构陶瓷。

上述技术方案中提供的层状高度织构陶瓷及其制备方法，该制备方法首先是对层状陶瓷粉体进行预处理，且其针对的层状材料层与层之间的范德瓦尔斯力作用力越弱越好，将陶瓷粉体与无水乙醇混合后，进行高速剪切，经过预处理后的粉体尺寸均一、尺寸小、结晶度高，径厚比大；精细的粉体比粗糙的粉体在轴应力和磁场下更易转动，从而更易沿着某一方向排列，高径厚比的片状晶粒也更易形成织构现象；即经过预处理后的粉体能够在较低的温度、压应力以及烧结时间下获得高织构度的致密陶瓷块体；同时该制备方法具有产量高、能耗低、操作简单、设备成本低以及设备体积小的特点。

其中陶瓷粉体的剪切工序可以在冷处理条件下进行，这样能够有效降低样品的氧化程度，为后续处理工序做基础；另外，为了达到更好的剪切效果，尤其是针对层间力较强的层状材料，还可以加入适量浓度的表面活性剂。

附图说明

图1为本实施例二硫化钛粉体剪切预处理前后的粒度分布对比；

图2为本实施例二硫化钛粉体剪切预处理后粉末样品的原子力学显微镜图；

图3为本实施例各样品的x射线衍射图；

图4为不同样品的扫面电镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例1

本实施例以二硫化钛(tis2)粉体为例对本发明进行说明。

将5克手动研磨过的二硫化钛(tis2)与200毫升的无水乙醇置入破壁机内，以5分钟运行时间和5分钟冷却时间为一周期，运行2个小时(有效剪切时间为1小时，剪切速度为3×10⁴转/分)，通过抽滤再干燥的手段可得到纳微米粉体4.5克左右。

称取3克纳微米粉体，置于石墨模具中，抽真空至5pa左右，通过放电等离子体烧结以100℃/min的升温速度升温至700℃，保温5min，保压50mpa；脱模即得层状高度织构陶瓷。

实施例2

本实施例以二硫化钛(tis2)粉体为例对本发明进行说明。

将4克手动研磨过的二硫化钛(tis2)、5.5mg的二甲基亚砜与100毫升的无水乙醇置入破壁机内，以3分钟运行时间和3分钟冷却时间为一周期，运行2个小时(有效剪切时间为1小时，剪切速度为10⁴转/分)，通过直接干燥的手段可得到纳微米粉体3.7克左右。

称取3克纳微米粉体，置于石墨模具中，抽真空至4pa左右，通过热压工序以100℃/min的升温速度升温至300℃，保温10min，保压50mpa；脱模即得层状高度织构陶瓷。

实施例3

本实施例以二硫化钛(tis2)粉体为例对本发明进行说明。

将10克手动研磨过的二硫化钛(tis2)、22.5mg的胆酸钠与500毫升的无水乙醇置入破壁机内，以4分钟运行时间和4分钟冷却时间为一周期，运行2个小时(有效剪切时间为1小时，剪切速度为4×10⁴转/分)，通过抽滤再干燥的手段可得到纳微米粉体8.9克左右。

称取5克纳微米粉体，置于石墨模具中，抽真空至6pa左右，以100℃/min的升温速度升温至800℃，保温7min，保压50mpa；脱模即得层状高度织构陶瓷。

实施例4

本实施例以二硫化钛(tis2)粉体为例对本发明进行说明。

将10克手动研磨过的二硫化钛(tis2)、25mg的己胺与500毫升的无水乙醇置入破壁机内，以4分钟运行时间和4分钟冷却时间为一周期，运行2个小时(有效剪切时间为1小时，剪切速度为4×10⁴转/分)，通过抽滤再干燥的手段可得到纳微米粉体8.9克左右。

称取5克纳微米粉体，置于石墨模具中，抽真空至6pa左右，以100℃/min的升温速度升温至800℃，保温7min，保压50mpa；脱模即得层状高度织构陶瓷。

对比例1

称取3克左右的未经过预处理的tis2粉末，置于石墨模具中，抽真空至5pa左右，以100℃/min的升温速度升温至700℃，保温5min，保压50mpa；脱模即得织构陶瓷。

将实施例1与对比例1的制备样品经过激光粒度分布仪分析，结果如图1所示，剪切前平均粒径约为35μm，呈双峰分布，剪切粉碎后粉体呈单峰分布，平均粒度约为3.4μm，较剪切前降低1个数量级，说明粒度减小且分布变窄；另外原子力学显微形貌观察表明其片状结构并未破外，且部分晶粒具有极高的径厚比(15μm:5nm)。

x射线测试结果如图3所示，其中(1)为对比例1未剪切预处理垂直压力方向的x射线衍射图，(2)为对比例1未剪切预处理平行压力方向的x射线衍射图；(3)为实施例1剪切预处理垂直压力方向的x射线衍射图，(4)为实施例1剪切预处理平行压力方向的x射线衍射图；由图3可知，所得块体未为单相tis2，强度高且尖锐，说明没有明显非晶化现象，其中剪切预处理块体沿垂直压力方向上(001)峰相对高度明显提高，而沿平行压力方向上(001)峰相对高度十分低，说明剪切预处理厚晶粒更易于形成织构排列。最后通过lotgeringfactor对所测xrd进行织构度计算，发现其在垂直压力方向上的lf值约为0.7，其基本与热锻工艺所得lf值持平。

此外，扫面电镜测试结果如图4所示，其中(a)和(c)为对比例1未剪切预处理的断面扫面电镜图，(b)和(d)为实施例1剪切预处理的断面扫面电镜图，可以对比看出，剪切预处理后再热压烧结(压力方向如图所示为垂直水平方向)的块体有着更高的织构程度。

上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

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