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一种“骚蓝色”氧化锆陶瓷的制备方法
2018月02月07日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:632
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氧化锆陶瓷因强度高、硬度大、韧性好、折射率高、宝石光泽及无过敏作用等特点,已成为各类高档装饰品的新宠材料,如汽车内饰、手机外壳、表壳、表链、手链、宝石、相机等等。就大家熟悉的手机外壳而言,目前生产的ZrO2 陶瓷通常只有黑色和白色两种,但其他彩色的氧化锆产品是不是生产不出来了呢?如下这块靛蓝色氧化锆陶瓷腕表,应该能打消你的疑虑,彩色氧化锆是真实存在的。

Big Bang Meca-10靛蓝色陶瓷腕表

备注:表壳、表圈及折叠式表扣为二氧化锆经高温烧结而成的高科技陶瓷,质地坚硬稳固,抗过敏,防刮花。

骚蓝色小米6(备注:上图手机为玻璃后盖,略挫)

但手机商在手机后盖的材质上并没有采用蓝色(或其他彩色的)氧化锆陶瓷后盖甚至不敢采用氧化锆陶瓷后盖。这大概与其生产成本是有很大关系,手机作为电子消费品,更新速度是何其的快,为一块非主要功能的手机后盖而耗费大量金钱是很不理智的,消费者也不一定会为此买单。如果生产工艺没有得到大的突破,彩色氧化锆的采用势必是会受到比较大的限制。

日本东曹彩色氧化锆样板

有资料显示日本东曹可提供33种彩色氧化锆粉料,可适应多维度的产品需求。此处小编本意并非想打广告,只是想说明彩色氧化锆是具备生产出来的条件的,攻城狮们还需继续努力再努力。下文,小编就为大家分享一篇实验室蓝色氧化锆的制备工艺。相信在不久的将来,拥有一款骚蓝色手机陶瓷背板只是一个简单的愿望。

下文为蓝色氧化的制备工艺:

众所周知,普通彩色陶瓷的制备一般是将色料或着色剂加入到陶瓷坯体或釉料中,通过高温烧成(一般低于1300℃)而获得。而氧化锆陶瓷的烧结温度较高,一般在1550~1650 ℃。在此温度下,大多数的色料或着色剂会分解、挥发。因此,采用简单添加色料或着色剂的方法,难以制得呈色鲜艳的彩色氧化锆陶瓷。、

要解决此问题,一方面需通过适当的措施降低烧结温度,另一方面要添加合适的着色剂及助剂抑制着色剂的分解、挥发。

一、原料准备

原料粉体:原料采用两种3%摩尔Y2O稳定的 ZrO2 粉体为主要原料:一种为微米级ZrO粉体,平均粒径1.23μm,标记为M-ZrO2。另一种为纳米级ZrO2 粉体(按文献3工艺制备),平均粒径为80nm,标记为N-ZrO2

烧结助剂:氧化铝粉(平均粒径120nm)及二氧化硅粉(平均粒径80nm);

着色剂:Co3O4(化学纯)及钒锆蓝色料。

钒锆蓝陶瓷颜料

、制备工艺

1、将氧化锆粉体与着色剂、烧结助剂(Al2O3SiO2等)按一定的比例配料(配方见下表,然后用行星球磨机球磨3h

2、造粒后,采用模压成型制备素坯。干燥、烧结、精加工后得到制品,并进行性能测试。

3、性能测试,用三点弯曲法测定材料的抗弯强度;可采用维氏硬度仪测试样品的维氏硬度;用电镜观察样品的显微结构;用紫外-可见光谱仪分析样品的颜色;用X射线衍射分析仪分析样品的物相组成。

氧化锆制备工艺简图

制备蓝色氧化锆的实验条件(:M-ZrO2微米氧化锆,N-ZrO2纳米氧化锆)

三、实验结果与分析

在本次实验条件下,发现如下现象:

1、ZrO2原料对蓝色氧化锆陶瓷呈色的影响

微米级ZrO2 粉体为原料,钒锆蓝色料为着色剂,不添加助剂,制备蓝色ZrO2 陶瓷,如上表系列配方。实验发现:当烧结温度低于1540℃,制品的相对密度及颜色,随着烧结温度提高而提高;当温度高于1560℃,随着烧结温度的提高,制品的相对密度反而降低,颜色变浅;在一样的烧结温度下,陶瓷显色随色料增加而增加,但制品的强度和相对密度反而降低,且有陶瓷成品蓝色较浅、不均匀的现象。

当采用纳米级ZrO2粉体为原料,制备蓝色ZrO2陶瓷,如上表B系列配方。发现采用纳米级ZrO2粉体后,制品的烧结温度明显降低;在色料加入量相同的情况下,采用纳米级粉体制备的产品,其颜色更深、更艳丽。但是,制品的相对密度较低(小于85%)。

钒锆蓝色料是硅酸锆固溶体型色料,由钒置换锆形成固溶体而呈色。硅酸锆的分解温度约为1550℃左右,其分解会影响着色。采用微米级ZrO2 粉体为主原料时,烧结致密化温度较高,从而导致色料分解,影响呈色;同时,色料的分解,也会阻碍制品的致密化。当采用纳米级ZrO2 粉体时,由于纳米级粉体具有较高的表面能和烧结活性,其烧结温度较低,不会导致色料的分解因而呈色较好。但纳米颗粒在烧结初期易发生异常长大,从而阻碍中后期致密化。

2、烧结助剂的影响

采用上表C系列配方,研究烧结助剂对蓝色ZrO2陶瓷呈色及性能的影响。实验中发现,在同样的烧结温度下,添加少量助剂可使制品的相对密度增加。在样品的SEM 照片中,可见其制品的结构致密、晶粒细小均匀(约800nm左右)。测试得制品的硬度为13.96GPa,抗弯强度达到690MPa。说明制品具有致密的显微结构和优异的力学性能。

在实验中发现加入烧结助剂后,制品的颜色和亮度增加。烧结助剂加入后,使烧结过程中晶界的移动速率降低,有利于气孔沿晶界的排除,从而促进烧结致密化。因此,所获得制品结构致密、力学性能优良、颜色明亮。

蓝色氧化锆陶瓷的反射光谱图

采用紫外-可见光谱仪对制品颜色进行分析,图中BV 曲线是所制备蓝色陶瓷的可见光反射曲线。制品在475nm 具有较强的反射,这是钒锆蓝色料的特征颜色。(备注:BC为如下第三点的数据。)

3、着色剂的影响

改变着色剂为Co3O4制备蓝色陶瓷。在实验发现:采用微米ZrO2粉体,不添加助剂,这时制备的ZrO2陶瓷仅有微弱的蓝色。大部分Co3O4挥发到匣钵上使匣钵呈蓝色。

采用纳米ZrO2并添加助剂,所得制品呈现纯正鲜艳的钴蓝色。上图“蓝色氧化锆陶瓷的反射光谱图”中BC 曲线是其可见光反射曲线。制品在450nm 左右具有强烈的反射,制品的颜色纯正鲜艳。在SEM 照片中观察制品断面,可见其结构致密、晶粒细小均匀( 800nm)。测试得其制品的硬度为13.21GPa,抗弯强度达到613MPa。可说明制品具有致密的显微结构和优良的力学性能。

Co3O4 是一种重要的着色氧化物,它在高温下易挥发,且随温度的升高,挥发加剧。采用微米级ZrO2 粉体时,烧结致密化温度较高,这导致Co3O4急剧挥发,从而影响呈色;采用纳米级ZrO2粉体且加入烧结助剂,降低了烧结温度,抑制了Co3O4的挥发,因而呈色较好。

4、蓝色陶瓷的呈色机理

下图为所制备的蓝色ZrO2 陶瓷的XRD 图。可见采用钒锆蓝色料制备的ZrO陶瓷(BV) 其主晶相为四方相ZrO2,还有很少量的硅酸锆相。说明高温烧结没有使硅酸锆分解,陶瓷的呈色是由色料导致。而采用Co3O4制备的蓝色ZrO2陶瓷(BC) 中只有四方相ZrO2,没有其他杂相。陶瓷的呈色可能是由于Co 溶入ZrO晶格中导致。

蓝色ZrO2陶瓷的XRD 

在本次实验下,满足如下条件可制备出一块好的骚蓝色氧化锆陶瓷。

采用纳米级ZrO2粉体为原料,钒锆蓝色料为着色剂,添加少量烧结助剂,可制得性能优良、颜色亮丽的蓝色氧化锆陶瓷。其硬度为13.96GPa,抗弯强度为690MPa

用纳米级ZrO2粉体为原料,Co3O4为着色剂,添加少量烧结助剂,可制得性能优良、颜色亮丽的钴蓝色氧化锆陶瓷。其硬度为13.21GPa,抗弯强度达到613Mpa

说了这么多,你们觉得小编能实现拥有一块骚蓝色陶瓷背板的手机的愿望么?除了这块骚蓝色,小伙伴们还有别的想要的颜色么?

你想拥有一块啥颜色的手机背板呢?

1、骚蓝色

2、土黄色

3、草绿色

4、魅惑紫

5、火红色

6、对不起,小编没猜出来你要啥颜色


参考来源:

1、蓝色氧化锆陶瓷的研制,山东硅苑新材料科技股份有限公司,青岛科技大学材料学院,王 峰,张灿英等著。

2、彩色氧化锆陶瓷的制备,青岛科技大学材料学院,张灿英,朱海涛,李长江,王继鑫等著。

3、两亲嵌段共聚物在纳米氧化锆制备中的作用,稀有金属材料与工程,朱海涛、尹衍升著。

 

作者:粉体圈小胖


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