本发明属于陶瓷材料，具体涉及一种高强耐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法。
背景技术：
1、陶瓷材料是用天然或化合物经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性等优点。陶瓷材料大体可以分成2类，一类是普通陶瓷材料，主要由天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料。这类陶瓷材料来源丰富、成本低、工艺成熟，按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。另一类是特种陶瓷材料，又称先进陶瓷或精细陶瓷，主要由高纯度人工合成的原料制成，通过精密控制工艺成形烧结而成。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，应用范围广泛。特种陶瓷材料的主要成分包括氧化物陶瓷（如氧化铝、氧化锆等）、非氧化物陶瓷（如氮化硅、碳化硅等）以及金属陶瓷等。氧化铝陶瓷主要成分是氧化铝（al2o3），具有高熔点、高硬度(仅次于金刚石)、耐磨性好、耐蚀性好、化学稳定性高、高绝缘性及低介电损耗等物理和化学特性，在机械加工、航空航天、耐火材料、复合材料、电子器件、能源工程、生物工程、耐磨/耐蚀等领域得到广泛应用。特别是在有腐蚀环境的场合，如化工、石油、冶金等，设备常常需要在腐蚀性环境中运行。如果设备材料不具备足够的耐蚀性，将会导致设备损坏、性能下降甚至安全事故。因此，选择具有优异耐蚀性的材料对于确保设备的安全运行和延长使用寿命至关重要。氧化铝陶瓷正是这样一种材料，其优异的耐蚀性使得它在这些领域中得到了广泛应用。
2、然而，传统氧化铝陶瓷在某些极端环境下仍存在强度不足和耐腐蚀性有限的问题。因此，开发一种既高强度又高耐腐蚀性的氧化铝陶瓷材料具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明提供了一种高强耐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法，所制得的氧化铝陶瓷具有优异的耐腐蚀性，同时具有良好的力学性能，适合各种强腐蚀环境中使用，具有良好的应用前景。
2、为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：
3、一种高强耐蚀氧化铝陶瓷，它是由以下重量份的原料制成：氧化铝微粉80-100份、改性纳米氧化铝10-20份、耐蚀剂5-10份、金属氧化物助剂0.3-0.8份、纳米复合纤维1-1.5份、高岭土5-10份、分散剂1-3份。
4、优选的，所述氧化铝微粉粒径为5-10μm。
5、优选的，所述改性纳米氧化铝的制备方法如下：准确称取硬脂酸5g，加入100ml无水乙醇中，超声分散5-10min，然后再向其中加入5g纳米氧化铝，水浴加热至55℃，磁力搅拌反应2h后，离心分离，用无水乙醇清洗数次，烘箱中80℃干燥2h即得；所述纳米氧化铝粒径为20-50nm。
6、优选的，所述耐蚀剂为改性纳米二氧化硅与二氧化锰按照1：1的质量比组成。
7、优选的，所述改性纳米二氧化硅的制备方法如下：将5ml teos加入50ml无水乙醇中，在40℃水浴条件下磁力搅拌，用稀氨水调ph值至8.5，磁力搅拌3.5 h，然后向混合液中加入6 ml六甲基二硅胺烷以及5 ml无水乙醇，继续磁力搅拌2h后得到乳白色的溶胶溶液，室温下静置24h后置于烘箱中于120℃真空干燥12h后研磨成粉即得。
8、优选的，所述金属氧化物助剂为氟化镧、氧化镁与氧化锌按照1：2：1的质量比组成。
9、优选的，所述纳米复合纤维是采用下述方法制备得到的：
10、（a）首先将2.0 g乙酸铜（cu（cooch3）2·h2o）和2.6 g乙酰丙酮钴（c15h21coo6）溶解在30 g dmf溶液中，搅拌至充分溶解，然后向混合物中加入2.1 g聚丙烯腈，在室温下搅拌12 h，完全混合后得到前驱体溶液；
11、（b）将前驱体溶液注入静电纺丝机中进行纺丝，纺丝过程中，将纺丝针头与滚筒收集器的距离设定为14 cm，设定工作电压为12 kv，推注速度为0.02 mm/min，收集所制备的纳米纤维膜，然后将其置于烘箱中干燥后备用；
12、（c）步骤（b）所得纳米纤维膜置于管式炉中，通入氮气，在n2氛围中加热至200℃，保温1 h后，然后以5℃/min的速率加热至800℃，自然冷却至室温即得纳米复合纤维。
13、优选的，所述分散剂为聚丙烯酰胺与椰油酰胺丙基甜菜碱按照2：1的质量比组成。
14、本发明还提供了一种上述的高强耐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
15、（1）将氧化铝微粉、改性纳米氧化铝、高岭土和分散剂按比例混合，球磨6h后获得混合料；
16、（2）将其他剩余原料与步骤（1）所得混合料混合均匀，以无水乙醇为球磨介质，设定球磨转速100r/min，继续球磨20h后得的浆料；
17、（3）将混合浆料置于干燥箱中，60℃下恒温干燥24h后过80目筛，然后放入热压炉中设置压力为25-30mpa，于500～600℃进行第一热压烧结，保温1-2h后，再于800～900℃进行第二热压烧结，保温2h后，最后于1200～1350℃进行第三热压烧结，保温2h即得。
18、本发明中所用到的原料及实际如无特殊说明均为市售购买得到。
19、上述技术方案中通过微米级氧化铝与纳米级氧化铝复配使用，优化颗粒级配，纳米氧化铝的小尺寸效应和表面界面效应，使得纳米颗粒能够更有效地填充和强化陶瓷材料的微观结构，在陶瓷素坯的成型过程中，减小孔隙尺寸，提高素坯的密度和成型性能。同时申请人所使用的纳米氧化铝为硬脂酸改性纳米氧化铝，硬脂酸是低表面能物质，能够降低氧化铝颗粒表面能，使其由亲水变为疏水，疏水性纳米氧化铝与氧化铝微粉共同作用，不仅能提高氧化铝陶瓷材料的抗腐蚀性能，还能够改善材料的烧结性能，降低烧结温度，提高烧结致密化速度，进一步提升材料的力学性能。
20、本发明耐蚀剂由改性纳米二氧化硅与二氧化锰组成，由正硅酸四乙酯(teos)发生水解反应以及自缩合反应而生成亲水性的 sio2纳米粒子，纳米颗粒表面含有大量的-oh基团，这些基团可以与六甲基二硅胺烷反应，使亲水性的硅醇基团(si−oh)生成≡si−o−si(ch3)3结构，达到获得疏水基团的目的，亲水型的sio2纳米粒子表面为大量疏水性甲基所覆盖，从而获得疏水性基团，然后又与二氧化锰通过物理混合的方式共同使用，这种混合产生协同效应，进一步增强了纳米粒子的疏水性和分散性，使高度疏水的纳米粒子更加均匀地分布在陶瓷材料基体表面，形成致密的结构，共同提高了氧化铝陶瓷材料的强度及耐腐蚀性能。
21、进一步的采用特定比例的金属氧化物助剂来提高氧化铝陶瓷的烧结性能。相关研究表明，不同性质及不同含量的烧结助剂对氧化铝陶瓷体系复合材料微观组织及力学性能具有较大的差异。由氟化镧、氧化镁与氧化锌按照1：2：1的质量比组成的金属氧化物助剂能够有效降低陶瓷的晶界迁移速率，使得气孔能够利用晶界作为空位传递通道得以排除，最终促进了氧化铝陶瓷的致密化。同时这些助剂可以协同作用，进一步降低烧结温度，提高陶瓷的致密性和力学性能且特定含量的助剂添加可以使氧化铝陶瓷晶粒结构更加优化，提高氧化铝陶瓷的硬度和抗热震性。
22、由于氧化铝陶瓷材料硬度较大，导致其刚性较高的同时缺乏韧性，导致氧化铝陶瓷较脆，容易出现裂纹和断裂。本发明所使用的纳米复合纤维，以碳元素为骨架，铜钴元素均匀地分布在纤维的表面，从扫描电镜测试结果可以看出，其结构特点为交联的纳米纤维形成近乎有序的3d网状结构，能够显著提高氧化铝陶瓷的力学性能。当纳米复合纤维与氧化铝陶瓷复合时，碳纤维作为增强相，可以有效分担载荷，提高复合材料的抗拉强度、抗弯强度和抗压强度。纳米复合碳纤维的加入还可以改善氧化铝陶瓷的断裂韧性，从而延缓裂纹的扩展，提高材料的抗断裂能力；与此同时掺入铜钴元素后的复合纳米纤维还可以显著提高氧化铝陶瓷材料的耐酸碱性。
23、分散剂由聚丙烯酰胺与椰油酰胺丙基甜菜碱按照2：1的质量比组成，二者共同作用，能够有效地将氧化铝粉末均匀分散在液体介质中，防止粉末的沉积和聚集，从而提高陶瓷浆料的均匀性和稳定性，分散剂能够吸附在氧化铝颗粒表面，形成一层保护膜，阻碍颗粒之间的团聚，从而提高陶瓷浆料的悬浮稳定性，防止颗粒沉降，利于后续的加工成型。
24、本发明的有益效果是：
25、（1）采用氧化铝微粉与改性纳米氧化铝配合使用，优化颗粒级配，有效地填充和强化陶瓷材料的微观结构，气孔率低（图1所示），疏水性纳米氧化铝与氧化铝微粉共同作用，不仅能提高氧化铝陶瓷材料的抗腐蚀性能，还能够改善材料的烧结性能，降低烧结温度，提高烧结致密化速度，进一步提升材料的力学性能。
26、（2）本发明复配耐蚀剂与氧化铝微粉及改性纳米氧化铝协同作用，增加了氧化铝陶瓷力学性能的同时也提高了材料的耐腐蚀性能，在面对海水或化工等极端环境侵蚀时，内部结构不容易被破坏，使得氧化铝陶瓷能够保持长效稳定的结构。
27、（3）本发明所使用的纳米复合纤维与氧化铝陶瓷共同作用，可以有效提高复合材料的抗拉强度、抗弯强度和抗压强度，且纳米复合纤维中所掺入的铜钴元素（图2所示）还可以显著提高氧化铝陶瓷材料的耐酸碱性。纳米复合纤维、耐蚀剂及多级氧化铝粉末共同作用，出现了纤维桥联增强结构，加强了内部结构的强度，内部结构有了强韧有力的支撑，形成一种结构稳定性良好的优异的耐腐蚀氧化铝陶瓷材料。
1.一种高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，它是由以下重量份的原料制成：氧化铝微粉80-100份、改性纳米氧化铝10-20份、耐蚀剂5-10份、金属氧化物助剂0.3-0.8份、纳米复合纤维1-1.5份、高岭土5-10份、分散剂1-3份。
2.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述氧化铝微粉粒径为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述改性纳米氧化铝的制备方法如下：准确称取硬脂酸5g，加入100ml无水乙醇中，超声分散5-10min，然后再向其中加入5g纳米氧化铝，水浴加热至55℃，磁力搅拌反应2h后，离心分离，用无水乙醇清洗数次，烘箱中80℃干燥2h即得；所述纳米氧化铝粒径为20-50nm。
4.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述耐蚀剂为改性纳米二氧化硅与二氧化锰按照1：1的质量比组成。
5.根据权利要求4所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述改性纳米二氧化硅的制备方法如下：将5ml teos加入50ml无水乙醇中，在40℃水浴条件下磁力搅拌，用稀氨水调ph值至8.5，磁力搅拌3.5 h，然后向混合液中加入6 ml六甲基二硅胺烷以及5 ml无水乙醇，继续磁力搅拌2h后得到乳白色的溶胶溶液，室温下静置24h后置于烘箱中于120℃真空干燥12h后研磨成粉即得。
6.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述金属氧化物助剂为氟化镧、氧化镁与氧化锌按照1：2：1的质量比组成。
7.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述纳米复合纤维是采用下述方法制备得到的：
8.根据权利要求1所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酰胺与椰油酰胺丙基甜菜碱按照2：1的质量比组成。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的高强耐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
