一种彩色氧化锆及其制备方法与流程

1.本发明涉及陶瓷材料领域，具体涉及一种彩色氧化锆及其制备方法。


背景技术：

2.氧化锆陶瓷具有优异的机械性能，如高强度、高硬度、耐磨，抛光后可呈现金属光泽并对人体无过敏作用等特点，近年来逐渐成为人造宝石、表壳、表链、手机壳等高档装饰材料的新宠。传统的氧化锆陶瓷烧结之后呈白色，随着人们对装饰品的需求不断提高，单一的颜色难以满足人们对氧化锆陶瓷装饰材料日益增长的需求。因此，彩色氧化锆陶瓷的研究开发具有广阔的市场前景。
3.传统彩色陶瓷的制备一般会将着色色料直接与氧化锆粉进行机械混合，然后成型烧结，这样的工艺制备的彩色氧化锆存在色料均匀性差，导致制品呈色不均匀，同时加入的色料对氧化锆的强度影响较大。


技术实现要素：

4.为了克服现有彩色氧化锆存在色料均匀性差导致制品呈色不均匀，同时加入的色料对氧化锆的强度影响较大等问题，本发明第一方面提供了一种彩色氧化锆，本发明第二方面提供了这种彩色氧化锆的制备方法。
5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
6.本发明第一方面提供了一种彩色氧化锆，所述彩色氧化锆包括以下质量百分数的元素组分：
7.zr+hf元素65～81.5wt％，y元素1.3～6.3wt％，溶胶元素0.25～1.3wt％；
8.所述溶胶元素包括fe、mn、cr中的至少一种；所述溶胶元素包覆在氧化锆表面。
9.优选的，所述彩色氧化锆包括以下质量百分数的元素组分：
10.zr+hf元素70～76.5wt％，y元素2.8～4.8wt％，溶胶元素0.4～1.0wt％。
11.本发明第二方面提供了一种上述彩色氧化锆的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)将乙酸盐溶液和有机酸混合，加热搅拌，制得溶胶a；
13.(2)将部分含钇氧化锆粉体、水和分散剂混合，研磨得到陶瓷浆料b；
14.(3)将所述溶胶a和所述陶瓷浆料b混合后喷雾造粒，得到溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料；
15.(4)将所述溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料与剩余含钇氧化锆粉体混合，研磨得到陶瓷浆料c，陶瓷浆料c中加入粘结剂喷雾造粒后成型，得到氧化锆坯体；
16.(5)将所述氧化锆坯体煅烧，得到所述彩色氧化锆。
17.采用fe、mn、cr中的至少一种氢氧化物或氧化物溶胶，吸附到含钇氧化锆(y-tzp)粉体的表面，将得到的溶胶与氧化锆浆料混合后喷雾造粒得到色料溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料，再将溶胶包裹的氧化锆陶瓷粉料与剩余的含钇氧化锆粉体混合成型得到陶瓷生坯，烧结后得到特定微观结构的氧化锆陶瓷。
18.均匀包裹在氧化锆颗粒表面的溶胶氧化物或氢氧化物在烧结过程中能够均匀分布在整个烧结体的各个区域，较尖晶石色料具有更强的显色能力和显色均匀性。而细的着色剂活性更高，致色能力更强，同时该粉体在烧结至1200℃左右能形成玻璃相，可以快速扩散包裹在氧化锆晶界上。玻璃相的形成在氧化锆的固相烧结过程中起到了促进烧结致密化作用，从而提高了氧化锆晶界之间的结合力，提高了陶瓷制品的强度。同时因细的溶胶加入，能抑制氧化锆晶粒的长大，氧化锆晶粒得到强化，从而提高了氧化锆陶瓷的强度。
19.本发明的彩色氧化锆，在成瓷烧结过程中，包裹在氧化锆粉体表面的溶胶粉末，其小颗粒在900～1000℃左右使得氧化锆颗粒进行重排以及素坯气孔的排出，从而降低了氧化锆的烧结温度，抑制了晶粒长大，晶粒强度得到强化，提高了氧化锆的强度，另外胶体成分在晶界上的包裹富集，有利于提高色料元素的致色能力。因此，当晶界上富集的成分(溶胶元素)不足时无法达到低温烧结及晶粒强化的目的，成瓷后的氧化锆强度较差；当晶界上富集成分过量时，氧化锆晶粒在溶胶元素的促烧作用下异常长大，导致氧化锆强度衰减严重。
20.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，乙酸盐溶液的浓度为0.1～0.5mol/l；进一步优选的，乙酸盐溶液的浓度为0.2～0.4mol/l。
21.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，乙酸盐溶液包括乙酸铁、乙酸锰、乙酸铬溶液中的至少一种。
22.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，有机酸的浓度为0.25～1.5mol/l；进一步优选的，有机酸的浓度为0.4～1.0mol/l。
23.优选的，这种制备方法，步骤(1)中乙酸盐溶液与有机酸的质量比为1：(1.5～4)。
24.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，有机酸包括柠檬酸、苹果酸、酒石酸、水杨酸中的至少一种。
25.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，加热搅拌的温度为70～100℃；进一步优选的，加热搅拌的温度为70～90℃；再进一步优选的，加热搅拌的温度为75～85℃；加热搅拌在水浴条件下进行。
26.优选的，这种制备方法，步骤(1)中，加热搅拌的时间为10～25h；进一步优选的，加热搅拌的时间为10～20h；再进一步优选的，加热搅拌的时间为12～18h。
27.优选的，这种制备方法，步骤(2)中，部分含钇氧化锆粉体、水、分散剂的质量比为100：(90～120)：(0.5～1.5)；进一步优选的，部分含钇氧化锆粉体、水、分散剂的质量比为100：(100～115)：(0.8～1.3)。
28.优选的，这种制备方法，步骤(2)中，研磨采用球磨，球磨的转速为20～60rpm，球磨的时间为5～15h。
29.优选的，这种制备方法，步骤(2)中，分散剂包括聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、聚甲基丙烯酸氨、聚乙二醇中的至少一种。
30.优选的，这种制备方法，步骤(3)中，溶胶a和陶瓷浆料b的质量比为(1～10)：(90～99)。
31.优选的，这种制备方法，步骤(4)中，粘结剂包括聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠中的至少一种。
32.优选的，这种制备方法，步骤(4)中，溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料与剩余含钇氧化
锆粉体的质量比为(1～20)：(80～99)。
33.优选的，这种制备方法，步骤(4)中，粘结剂与陶瓷浆料c的质量比为(2～5)：100。
34.优选的，这种制备方法，步骤(4)中，成型采用的方式包括干压、注射、流延中的至少一种；在本发明的一些具体实施例中，成型采用干压和等静压。
35.进一步优选的，干压压力为3～6mpa；再进一步优选的，干压压力为4～6mpa；更进一步优选的，干压压力为4.5～5.5mpa。
36.进一步优选的，等静压压力为150～300mpa；再进一步优选的，等静压压力为150～250mpa；更进一步优选的，等静压压力为180～220mpa。
37.优选的，这种制备方法，步骤(5)中，煅烧的温度为1300～1400℃；进一步优选的，煅烧的温度为1320～1380℃；再进一步优选的，煅烧的温度为1340～1360℃。
38.优选的，这种制备方法，步骤(5)中，煅烧的时间为2～5h；进一步优选的，煅烧的时间为2～4h；再进一步优选的，煅烧的时间为2.5～3.5h。
39.优选的，这种制备方法，步骤(5)中，氧化锆坯体煅烧后，表面磨削、抛光，得到彩色氧化锆。
40.本发明的有益效果是：
41.本发明的彩色氧化锆，当晶界上富集的成分(溶胶元素)不足时，无法达到晶粒强化的目的，成瓷后的氧化锆强度较差；当晶界上富集成分过量时，氧化锆晶粒在溶胶元素的促烧作用下异常长大，导致氧化锆强度衰减严重，本发明选择合适的溶胶元素及其特定用量范围，提高了氧化锆的强度。
附图说明
42.图1为实施例1的彩色氧化锆陶瓷的tem图。
43.图2为对比例6的彩色氧化锆陶瓷的tem图。
具体实施方式
44.以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
45.以下实施例和对比例中的“份”均指“质量份”。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表1所示：
[0048][0049]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法如下：
[0050]
(1)将要添加的氧化物溶胶制备出来：将30份0.3mol/l的乙酸盐溶液(乙酸铬、乙酸铁)和70份0.5mol/l的柠檬酸溶液混合，水浴搅拌加热80℃，15h得到溶胶a；
[0051]
(2)在100份含钇氧化锆粉体中，还需添加100份纯水和1.0份分散剂聚丙烯酸铵，
50rpm球磨10h得到陶瓷浆料b。
[0052]
(3)取5份步骤(1)中得到的溶胶a和95份步骤(2)中得到的陶瓷浆料b混合后喷雾造粒，得到色料溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料；
[0053]
(4)将所得色料溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料15份和85份的含钇氧化锆粉体混合经球磨、砂磨后得到陶瓷浆料c，以陶瓷浆料c的重量为100份计，加入3份粘结剂聚乙烯醇喷雾造粒后成型，得到氧化锆坯；
[0054]
(5)将氧化锆坯体煅烧、表面磨削、抛光，得到氧化锆陶瓷；
[0055]
所述步骤(4)中干压压力为5mpa，等静压压力为200mpa；所述步骤(5)中煅烧的温度为1350℃，煅烧的时间为3h。
[0056]
实施例2
[0057]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表2所示：
[0058]
表2
[0059]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例276.55.140.25fe
[0060]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁，并调节其用量。
[0061]
实施例3
[0062]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表3所示：
[0063]
表3
[0064]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例3656.31.3fe
[0065]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁，并调节其用量。
[0066]
实施例4
[0067]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表4所示：
[0068]
表4
[0069]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例481.51.30.4mn
[0070]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸锰，并调节其用量。
[0071]
实施例5
[0072]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表5所示：
[0073]
表5
[0074]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例5704.81.0cr
[0075]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及乙酸盐替换为乙酸铬，并调节其用量。
[0076]
实施例6
[0077]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表6所示：
[0078]
表6
[0079]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例674.142.980.74fe、cr、mn
[0080]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铬、乙酸铁和乙酸锰，并调节其用量。
[0081]
实施例7
[0082]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表7所示：
[0083]
表7
[0084]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例778.332.80.47cr、mn
[0085]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铬和乙酸锰，并调节其用量。
[0086]
实施例8
[0087]
本实施例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表8所示：
[0088]
表8
[0089]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分实施例867.55.340.36fe、mn
[0090]
本实施例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁和乙酸锰，并调节其用量。
[0091]
对比例1
[0092]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表9所示：
[0093]
表9
[0094]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分对比例175.56.50无
[0095]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，不添加乙酸盐。
[0096]
对比例2
[0097]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表10所示：
[0098]
表10
[0099]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分对比例276.987.350.1fe
[0100]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁，并调节其用量。
[0101]
对比例3
[0102]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表11所示：
[0103]
表11
[0104]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分
对比例363.213.841.43fe
[0105]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁，并调节其用量。
[0106]
对比例4
[0107]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表12所示：
[0108]
表12
[0109]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分对比例462.813.991.72fe
[0110]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与实施例1相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将乙酸盐替换为乙酸铁，并调节其用量。
[0111]
对比例5
[0112]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表13所示：
[0113]
表13
[0114]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分氧化物色料/wt％对比例576.55.14//0.28/fe2o3[0115]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法如下：
[0116]
(1)在99份含钇氧化锆粉体中，加入1份fe2o3，以含钇氧化锆粉体和fe2o3总量为100份计，还需添加100份纯水和1.0份分散剂聚丙烯酸铵，50rpm球磨10h得到陶瓷浆料b。
[0117]
(2)按100份陶瓷浆料b浆料重量中加入2.0份粘结剂聚乙烯醇后喷雾造粒，得到色料包裹氧化锆的陶瓷粉料。
[0118]
(3)将所得色料包裹氧化锆的陶瓷粉料进行干压、等静压成型，得到氧化锆坯体；
[0119]
(4)将氧化锆坯体煅烧、表面磨削、抛光，得到氧化锆陶瓷。
[0120]
所述步骤(3)中干压压力为5mpa，等静压压力为200mpa；所述步骤(4)中煅烧的温度为1350℃，煅烧的时间为3h。
[0121]
对比例6
[0122]
本对比例提供了一种彩色氧化锆陶瓷，各元素含量如下表14所示：
[0123]
表14
[0124]
编号zr+hf/wt％y/wt％溶胶元素/wt％溶胶元素成分氧化物色料/wt％对比例681.51.55//0.55/mno
[0125]
本对比例的彩色氧化锆陶瓷的制备方法与对比例5相同，不同之处在于，调节含钇氧化锆粉体及用量，以及将fe2o3替换为mno，并调节其用量。
[0126]
将上述实施例和对比例制备的彩色氧化锆陶瓷进行四点抗弯强度和色度sci测试，四点抗弯强度按国家标准gbt 4741-1999《陶瓷材料抗弯曲强度试验方法标准》进行测试；色度sci：采用spectrophotometer cm-2600d色度计打色度，抛光片厚度(0.4
±
0.03)mm，每批次测试10pcs，计算平均值；测试结果如下表15所示。
[0127]
表15
[0128][0129][0130]
上述实施例1的彩色氧化锆陶瓷的tem图如图1所示，分析选定区域晶界处元素分布，如图所示，氧化锆晶界处有cr、fe元素分布且将氧化锆晶粒包裹。如表15所示，该实施例的彩色氧化锆陶瓷强度较高。
[0131]
上述对比例6的彩色氧化锆陶瓷的tem图如图2所示，直接以氧化物形式添加的锰色料在氧化锆晶界处未形成包覆，对比实施例4的色度和强度结果，对比例6的色度波动较大，强度明显更低。
[0132]
通过表格中实施例和对比例的数据可以看出，将溶胶包裹的y-zro2与y-zro2混合形成氧化锆陶瓷，相较于传统方式，sci色度值波动较小，显色均匀，在本发明所限定的氧化锆陶瓷烧结体元素含量范围内，成瓷烧结后的陶瓷强度高，不易变形。
[0133]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种彩色氧化锆，其特征在于，所述彩色氧化锆包括以下质量百分数的元素组分：zr+hf元素65～81.5wt％，y元素1.3～6.3wt％，溶胶元素0.25～1.3wt％；所述溶胶元素包括fe、mn、cr中的至少一种；所述溶胶元素包覆在氧化锆表面。2.根据权利要求1所述的彩色氧化锆，其特征在于，所述彩色氧化锆包括以下质量百分数的元素组分：zr+hf元素70～76.5wt％，y元素2.8～4.8wt％，溶胶元素0.4～1.0wt％。3.一种权利要求1或2所述的彩色氧化锆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将乙酸盐溶液和有机酸混合，加热搅拌，制得溶胶a；(2)将部分含钇氧化锆粉体、水和分散剂混合，研磨得到陶瓷浆料b；(3)将所述溶胶a和所述陶瓷浆料b混合后喷雾造粒，得到溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料；(4)将所述溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料与剩余含钇氧化锆粉体混合，研磨得到陶瓷浆料c，陶瓷浆料c中加入粘结剂喷雾造粒后成型，得到氧化锆坯体；(5)将所述氧化锆坯体煅烧，得到所述彩色氧化锆。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述乙酸盐溶液的浓度为0.1～0.5mol/l；所述有机酸的浓度为0.25～1.5mol/l。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机酸包括柠檬酸、苹果酸、酒石酸、水杨酸中的至少一种。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热搅拌的温度为70～100℃，时间为10～25h。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述部分含钇氧化锆粉体、水、分散剂的质量比为100：(90～120)：(0.5～1.5)。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述溶胶a和所述陶瓷浆料b的质量比为(1～10)：(90～99)。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述溶胶包裹氧化锆的陶瓷粉料与剩余含钇氧化锆粉体的质量比为(1～20)：(80～99)。10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述煅烧的温度为1300～1400℃，时间为2～5h。

技术总结
本发明公开了一种彩色氧化锆及其制备方法。一种彩色氧化锆，包括以下质量百分数的元素组分：Zr+Hf元素65～81.5wt％，Y元素1.3～6.3wt％，溶胶元素0.25～1.3wt％；溶胶元素包括Fe、Mn、Cr中的至少一种；溶胶元素包覆在氧化锆表面。本发明的彩色氧化锆，当晶界上富集的成分(溶胶元素)不足时无法达到低温烧结及晶粒强化的目的，成瓷后的氧化锆强度较差；当晶界上富集成分过量时，氧化锆晶粒在溶胶元素的促烧作用下异常长大，导致氧化锆强度衰减严重，本发明选择合适的溶胶元素及其特定用量范围，提高了氧化锆的强度。提高了氧化锆的强度。


技术研发人员：刘杰鹏 李钢 邱基华
受保护的技术使用者：潮州三环（集团）股份有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/19