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利用納米銅顯色制備高性能紅色氧化鋯陶瓷
2019年06月04日 20:28         所屬學院: []          點擊:


附件5

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報 

 

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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

王哲

201439110307

無機非金屬材料

2014年

謝呵瀚

201439110220

無機非金屬材料

2014年

張冬花

201639160401

無機非金屬材料

2016年

歐陽九福

201539110130

無機非金屬材料

2015年

歐陽潔

201539110105

無機非金屬材料

2015年

指導教師

徐協文

職稱

副教授

項目所屬

一級學科

材料科學與工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

(1)參與了指導老師的國家基金項目“結構陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結劑體系設計及缺陷遺傳變異規律研究”。

(2)參與了指導老師成果轉化項目“氮化硅陶瓷先進成型技術”。

(3)小組成員在實驗室做過關于藍色氧化鋯陶瓷的項目。

(4)小組成員能夠熟練地使用壓模機、球磨機、馬弗爐等儀器,并且掌握了基本的陶瓷工藝的制備方法。

 

指導教師承擔科研課題情況

[1]參與國家自然科學基金面上項目“結構陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結劑體系設計及缺陷遺傳變異規律研究”;排名第二。

[2]參與完成國家自然科學基金青年項目“基于表面工程的防靜電陶瓷材料結構設計及其靜電耗散機理研究”;排名第二。

[3]在研“氮化硅陶瓷先進成型技術”、“氮化硅陶瓷精密制造技術”“高性能結構陶瓷精密制造技術”等成果轉化和技術合作項目3項。

 

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

1.項目研究

近年來,氧化鋯陶瓷因為具有強度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕等優良的性能,被廣泛應用于各個領域。例如:小米5,OPPO,R9等手機,就應用了氧化鋯陶瓷材料制作指紋識別蓋板。據互聯網消費調研中心調查結果顯示全球智能手機市場銷量已經在2014年接近13億臺。不僅如此,勞力士,雷達等名牌手表在制作表圈時也應用了氧化鋯材料。這充分說明了氧化鋯陶瓷已經引起了人們的廣泛關注。。隨著時代的發展,人們必然會對手機的個性化以及性能產生更大的要求,這就迫使生產商應用性能更為優越的材料來制作產品,而相比其他材料,氧化鋯陶瓷雖然起步晚,但是發展快,更是具有良好的物理化學性質,所以在未來的研究中氧化鋯陶瓷將會占主導地位,具有巨大的研究前景。

就目前而言,國際上制備藍色,黃色等顏色的氧化鋯陶瓷都有相對成熟的工藝,例如藍色,我國是用氧化鈷和氧化鋁形成鈷鋁結晶石,而鈷鋁結晶石顯藍色的方法制備藍色氧化鋯陶瓷的。又如黃色,以鐠鋯黃色料為著色劑,添加少量燒結助劑,發色離子與燒結助劑形成固溶體,高溫下燒結,制備出穩定的黃色氧化鋯陶瓷。但能在高溫下穩定存在的紅色,特別是深紅色的氧化鋯陶瓷在國內外幾乎空白。

眾所周知,普通彩色陶瓷的制備一般是將色料或著色劑加入到陶瓷坯體或釉料中,通過高溫燒成(一般低于1300℃)而獲得。而氧化鋯陶瓷的燒結溫度較高,一般在1550~1650℃。在此溫度下,大多數的色料或著色劑會分解、揮發。因此,采用簡單添加色料或著色劑的方法,難以制得呈色鮮艷的彩色氧化鋯陶瓷。所以采用一種新的技術制備出一種能在高溫下穩定存在,且能調控色度的高性能氧化鋯陶瓷材料成為當前亟待解決的主要問題。

2.研究目的

納米銅是紅色的,高溫下燒結與氧化鋯形成致密的結構,能穩定存在,利用這一原理,本項目旨在制造一種能在高溫下穩定存在,能自由調控色度的且具有優越的物理化學性能紅色氧化鋯陶瓷。

3.研究內容

(1)納米銅的引入方式對顯色和機械性能的影響:研究不同的含銅氧化物或銅鹽對氧化鋯陶瓷顯微結構以及顯色能力的影響。

(2)燒結工藝對顯色和機械性能的影響:研究燒結過程中氫氣濃度,燒結溫度及時間對陶瓷物理化學性能的影響。

(3)色調與色度的控制:色調即顏色的明暗程度,色度即顏色的深淺程度。研究引入不同量的納米銅時,色調與色度的變化情況。

4.解決的主要問題

(1)納米氧化銅在高溫下的還原與保存:難點在于在高溫下銅氧化合物或銅鹽中的銅沒有完全還原,可能以銅離子的形式進入氧化鋯中,導致有雜色。

(2)納米銅的引入方式:引用不同形式的銅氧化物配方,可能導致燒成的結果不同

(3)顏色與性能平衡問題:在制備陶瓷過程中既需要使其顯色又需要保證其性能。

國內外研究現狀和發展動態

早在1789年德國化學家克拉普羅特就從寶石中提煉出了氧化鋯,但直到20世紀20年代才應用于耐火材料。此后相繼在燃氣材料,著色及磨料中得到應用。

20 世紀70 年代中期以來,美國和日本等發達國家相繼投入巨資研究氧化鋯陶瓷的生產技術。在1973年美國R.Zechnall,G.Baumarm,H.Fisele制得了氧化鋯電解質傳感器,1980年氧化鋯在美國廣泛應用于鋼鐵。而日本絕緣子公公司更是和美國一家發動機公司合作,研究和開發了氧化鋯陶瓷。而且據調查。應用了氧化鋯制作多孔氧傳感器是日本汽車一舉打入美國市場的重要原因。

1975年,澳大利亞RG.Garvie以氧化鈣為穩定劑制得部分穩定氧化鋯陶瓷,并首次利用氧化鋯馬氏體相變增韌的效應,提高了氧化鋯陶瓷的韌性和強度,極大的拓展了氧化鋯陶瓷在結構陶瓷中的應用。

氧化鋯陶瓷由于其良好的絕熱性是美國絕熱發動機必不可少的一部分。除美國外,日本,德國等其他一些技術發達的國家用韌性的氧化鋯陶瓷制作發動,航空發動機的散熱葉片等。

彩色氧化鋯陶瓷由于其強度大,顏色比較鮮艷,耐磨損,不易氧化等優點被用作餐刀,剪刀,手術刀等的主要原料,在歐美,韓國等深受歡迎。

除此之外,彩色氧化鋯陶瓷在國外一個最重要的應用領域就是生物陶瓷材料——氧化鋯烤瓷牙。氧化鋯材質的烤瓷牙沒有金屬內冠層,牙齒透明度好,光澤度好,避免了牙齒過敏和牙齦黑線等問題,具有足夠好的遮色能力,能夠很好的滿足患者的需求。

而我國是從90 年代開始進行氧化鋯陶瓷的開發、生產和研究工作,進入21 世紀后,我國的氧化鋯陶瓷研發取得世界矚目的進展。

目前我國彩色氧化鋯陶瓷的發展不平衡,像藍色,黑色,白色等顏色的氧化鋯陶瓷制備工藝比較成熟,例如藍色,我國是用氧化鈷和氧化鋁形成鈷鋁結晶石,而鈷鋁結晶石顯藍色的方法制備藍色氧化鋯陶瓷的。又如黃色,以鐠鋯黃色料為著色劑,添加少量燒結助劑,發色離子與燒結助劑形成固溶體,高溫下燒結,制備出穩定的黃色氧化鋯陶瓷,且已應用于實際生產。小米公司在2016年2月推出的的使用氧化鋯陶瓷機身的小米五,其具有優良的耐磨性,耐腐蝕性以及優越的機身強度,在中國市場上持續火爆,而且目前藍思科技也投入了大量的研究經費用于研制高性能彩色氧化鋯作為其電子產品的機身。

但是紅色特別是中國紅氧化鋯陶瓷的研究仍然留有很大的空白。目前國內都是在陶瓷材料中加入顏料或色料如硫化鎘和硫硒化鎘來制備紅色氧化鋯陶瓷,但是由這種方式形成的紅色在高溫下極其不穩定,且顯色多為淺色。以目前的生產工藝不足以制造出更深一點的紅色氧化鋯陶瓷。

目前生產中應用最廣泛的是氧化釔穩定的氧化鋯陶瓷(3Y-ZDP),其擁有高韌性,高抗彎強度和高耐磨性,優異的隔熱性能,熱膨脹系數接近于鋼,因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。

以氧化釔穩定四方多晶氧化鋯粉為原料,硝酸錳/硝酸鋁為著色劑,聚乙二醇為分散劑,采用非均沉淀法通過調節氧化鋯懸浮液的pH值使錳鋁的氫氧化物沉淀至氧化鋯基體表面,形成具有核殼結構的復合粉體經冷等靜壓成型后在1450℃保溫2h燒結得到結構致密,氣孔較少,晶粒細小,尖晶石相均勻分散在氧化鋯基體中黑色氧化鋯陶瓷。

添加了Y203穩定Zr02為主要原料,以A1203Si02等為增韌劑.NH4V03V205CO(N03)2CO203等為著色劑,球磨混合后采用干壓成型法成型,二次燒結法制成陶瓷。通過陶瓷的性能測試和結構分析,優選出黃、色系鈉米A1203增韌Zr02陶瓷制的配方和工藝條件。

就目前而言,國內制備彩色氧化鋯陶瓷的方法中比較先進的是非均勻沉淀法。非均勻沉淀法是在分散好的氧化鋯基體懸浮液中,通過調節pH值使沉淀反應在基體表面進行,從而形成具有核殼結構的復合粉體,是制備包裹粉體的一種有效方法,這種方法可實現著色離子對氧化鋯顆粒的均勻包覆和混合;與機械混合法相比,能有效克服顆粒間的團聚,縮短燒結過程中著色離子反應的傳質距離并有效減少揮發,因而該法更易于制備出成色均勻穩定的彩色氧化鋯陶瓷。但生產出來的粉末顆粒形狀不規則,大小不均勻,雜質含量高。這是我國生產的氧化鋯粉體不能廣泛應用的最大障礙。

在技術含量較高的氧化鋯結構陶瓷方面,我國歷史發展較短,產品技術及質量整體水平較低,在國際市場競爭不強,就是因為粉料的性能不穩定,不能生產出性能優良的氧化鋯陶瓷。比較我國氧化鋯陶瓷與美國等發達國家氧化鋯陶瓷的發展發現,我國的氧化鋯陶瓷落后太多。而隨著人們生活水平的提高和生活進程的加速,人們對鋯制品的要求越來越高。并且隨著現代科學技術和測試技術的發展,人類對于氧化鋯的認識必將更進一步深入,氧化鋯定會以新的面貌出現,性能越來越高端,顏色越來越鮮艷,越穩定必然是一種趨勢。所以生產出一種性能優良,顏色穩定的紅色氧化鋯陶瓷對我國立足于國際陶瓷的市場顯得尤為重要。

參考文獻

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[12]劉麗菲. 高韌性彩色氧化鋯陶瓷的制備與性能[D]. 吉林: 吉林大學, 2009.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

參與了指導老師的國家基金項目“結構陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結劑體系設計及缺陷遺傳變異規律研究”以及成果轉化項目“氮化硅陶瓷先進成型技術”,掌握了氧化鋯陶瓷制備中的粉體研磨,胚體成型,陶瓷燒結等工藝,成功制備了藍色氧化鋯陶瓷,密度達到5.9g/cm3 。如圖1圖二

 

圖1                              圖2

在做藍色氧化鋯陶瓷的試驗中,對氧化鋯陶瓷的制備工藝,顏色的表征方法,力學性能的測試以及配方的確定等都有了一定的程度的了解。

項目的創新點和特色

本實驗采用納米銅顯色的原理將銅氧化物或者銅鹽加入到氧化鋯中,然后在還原氣氛下共同燒結,銅氧化物或者銅鹽被還原成納米銅,顯紅色的納米銅被致密的氧化鋯包裹,制作出顏色存在穩定且色度可調的高性能紅色氧化鋯陶瓷。

 

 

項目的技術路線及預期成果

技術路線

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

預期成果

(1)得到紅色氧化鋯陶瓷的配方體系,色度可調且顏色穩定。密度達到5.9g/cm3,強度達到950MPa

(2)申請發明專利一項,發表學術論文1篇。

(3)研究總結報告一份。

 

年度目標和工作內容(分年度寫)

(1)2016.11-2017.6:對陶瓷配方進行設計,確定制備紅色氧化鋯陶瓷合理方式并制出色度可調的高性能氧化鋯陶瓷。

(2)2017.7-2017.10:對陶瓷的力學性能進行分析評價。

(3)2017.11-2018.1:撰寫論文并且申請專利。

(4)2018.2-2018.5:陶瓷制備工藝和條件的控制及優化,并提交項目總結。

指導教師意見

王哲,謝呵瀚等同學結合所學的新材料制備知識,根據本實驗室在陶瓷新材料制備工藝方面的條件和特色,提出用納米銅顯色來制備高性能紅色氧化鋯陶瓷的實驗方案。

在前期的實驗工作中,課題小組同學體現出了扎實的專業知識基礎、很強的動手能力和良好的團隊作風。

先進陶瓷材料的精密制造工藝是本人的研究特色和優勢,正在開展的成果轉化項目也與氮化硅陶瓷相關,能夠給本課題的實施和開展提供可靠及時的指導和支持。  

 

 

簽字:                   日期:

注:本表欄空不夠可另附紙

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