CN101607830A - 一种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法，直接以α－Al₂O₃和钛黄粉为原料采用一步法原位合成钛酸铝，并在配合料中加入防止钛酸铝分解的稳定剂和起增强作用的莫来石纤维，在球磨机中湿法球磨后真空注浆成型，干燥后烧成制得。原料组分为：α－Al₂O₃49~55％，钛黄粉35~42％，稳定剂3~6％，莫来石纤维3~6％，其中稳定剂由氧化镁和氧化铈复合组成。本发明所制得的纤维增强钛酸铝复合材料热膨胀系数小，热稳定性和化学稳定好，能够大大提高复合材料的使用寿命。采用真空注浆成型方法，工艺技术简单，产品显微结构组织均匀，可以用来制备铸铝升液管、热电偶保护套管、坩埚等多种产品。

Description

一种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强钛酸铝复合材料以及该复合材料制品的制备方法。

背景技术

钛酸铝陶瓷以其高熔点、低膨胀及抗热震性能优良等特性使之在冶金、汽车、军事工业等方面有很广阔的应用前景。然而，钛酸铝烧结体的晶型结构为假板钛矿型，属斜方晶系，具有热膨胀系数的各向异性，存在随着加热、冷却过程在晶粒界面易产生由局部内应力集中造成的偏移，引起微小的裂隙或空隙，导致机械强度下降，特别是高温下施加负荷的用途时，无法发挥足够的耐用性，这就限制了钛酸铝陶瓷在实际中的应用。

为了解决钛酸铝陶瓷材料的热膨胀系数与机械强度的矛盾，近些年来人们做了大量的研究工作，改善钛酸铝陶瓷力学性能的方法包括引入添加剂和组成复合材料。有研究发现SiC晶须增强钛酸铝复合材料的弯曲强度值随SiC晶须含量的增加而增加。碳化硅含量为7％(质量分数)的复合材料强度可以提高到170％，而热膨胀系数无明显变化，但是晶须的价格昂贵，而且碳化硅在高温条件的氧化气氛中容易被氧化，反而使复合材料的性能下降。Al₂O₃纤维虽具有较高的弹性模量、浸渗性好等特点，但是采用Al₂O₃纤维增强钛酸铝材料必须预合成稳定钛酸铝才能避免氧化钛与Al₂O₃纤维反应而造成的纤维粉化现象，从而造成纤维失去增强效果。也有人研究了莫来石纤维对钛酸铝陶瓷力学性能的影响，但原料采用的是预合成的钛酸铝，成型过程采用的是加入粘结剂后干压成型，这势必会造成莫来石纤维长径比的减小和纤维弯曲团聚，不能够使纤维很好的均匀分散到基体中起到增强效果。

发明内容

基于钛酸铝由于热膨胀系数的各向异性而引起的微裂纹所造成的强度降低的问题，本发明的目的在于提供一种纤维增强钛酸铝复合材料以及该复合材料制品的制造方法。本发明所采用的技术原理是莫来石纤维的弹性模量、热膨胀系数和强度均高于钛酸铝陶瓷，满足纤维增强脆性陶瓷基体的基本要求，而且莫来石纤维在高温下不易氧化，采用真空注浆成型工艺使莫来石纤维均匀分散到钛酸铝基体中，利用纤维从基体中的拔出效应，提高复合材料的力学性能，同时稳定剂由氧化镁和氧化铈复合组成，能够与钛酸铝形成稳定固溶体，起到抑制主晶相热分解的作用。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明纤维增强钛酸铝复合材料，包括下列组分(按重量百分比)：α-Al₂O₃49％~55％，钛黄粉35％~42％，莫来石纤维5％~15％，稳定剂3％~6％，其中稳定剂由氧化镁和氧化铈组合而成。

其中：所用α-Al₂O₃的粒径大小为3~5μm；所采用的钛黄粉中TiO₂的重量百分比不小于92％，最大颗粒粒径不大于10μm；所采用的莫来石纤维长度为30~60mm，直径为3~10μm；所述稳定剂中氧化镁的(按重量百分比)为70％~85％，氧化铈的(按重量百分比)为15％~30％。

本发明纤维增强钛酸铝复合材料制品的制备方法，它包括下列步骤：

(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶0.8~1∶0.4~0.5；

(2)在球磨机中混合0.5~1个小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；

(3)脱模修整后110℃烘干至水分含量不大于1％；

(4)烘干后的样品于1400~1450℃烧成。

本发明一种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法的有益效果在于，将莫来石纤维引入到钛酸铝基体中，能够提高复合材料的抗弯强度、硬度以及断裂韧性；相对于需要预合成钛酸铝的制备工艺，在制备复合材料过程中采用一步法原位合成钛酸铝能够大大减少能源消耗，简化制备工艺；复合稳定剂的加入，使钛酸铝结构稳定，避免了在温度条件变化时而引起的热分解现象；采用真空注浆成型工艺，能够在一定程度上避免纤维断裂和团聚现象，使纤维更加均匀的分散到钛酸铝基体当中。

具体实施方式

实施例1

各种原料组分(按重量百分比)：α-Al₂O₃49％，钛黄粉42％，莫来石纤维3％，稳定剂6％，其中稳定剂中(按重量百分比)氧化镁70％、氧化铈30％。制备工艺过程包括：(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中，混合料、球、水的质量比为1∶0.8∶0.4；(2)在球磨机中混合1个小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；(3)脱模修整后110℃烘干至水分质量百分含量不大于1％；(4)烘干后的样品于1400℃保温2小时烧成。

实施例2

各种原料组分(按重量百分比)：α-Al₂O₃55％，钛黄粉38％，莫来石纤维4％，稳定剂3％，其中稳定剂中(按重量百分比)氧化镁85％、氧化铈15％。制备工艺过程包括：(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中，混合料、球、水的质量比为1∶0.8∶0.5；(2)在球磨机中混合1个小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；(3)脱模修整后110℃烘干至水分质量百分含量不大于1％；(4)烘干后的样品于1450℃保温2小时烧成。

实施例3

各种原料组分(按重量百分比)：α-Al₂O₃53％，钛黄粉35％，莫来石纤维6％，稳定剂6％，其中稳定剂中(按重量百分比)氧化镁85％、氧化铈15％。制备工艺过程包括：(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中，混合料、球、水的质量比为1∶1∶0.5；(2)在球磨机中混合0.5小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；(3)脱模修整后110℃烘干至水分质量百分含量不大于1％；(4)烘干后的样品于1400℃保温2小时烧成。

实施例4

各种原料组分(按重量百分比)：α-Al₂O₃51％，钛黄粉40％，莫来石纤维5％，稳定剂4％，其中稳定剂中(按重量百分比)氧化镁80％、氧化铈20％。制备工艺过程包括：(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中，混合料、球、水的质量比为1∶1∶0.5；(2)在球磨机中混合0.5小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；(3)脱模修整后110℃烘干至水分质量百分含量不大于1％；(4)烘干后的样品于1430℃保温2小时烧成。

本发明所制得的纤维增强钛酸铝复合材料热膨胀系数小，热稳定性和化学稳定好，能够大大提高复合材料的使用寿命。采用真空注浆成型方法，工艺技术简单，操作方便，适用性强，不需复杂的机械设备，生产成本低，生坯强度高，生产成品率高，产品显微结构组织均匀，特别适合于制备形状复杂、尺寸较大的工业化产品，可以用来制备铸铝升液管、热电偶保护套管、坩埚等多种产品。

Claims (6)

1.一种纤维增强钛酸铝复合材料，其特征在于，按重量百分比包括下列组分：α-Al₂O₃49％~55％，钛黄粉35％~42％，莫来石纤维5％~15％，稳定剂3％~6％，其中稳定剂由氧化镁和氧化铈组合而成。

2.根据权利要求1所述的纤维增强钛酸铝复合材料，其特征在于，所用α-Al₂O₃的粒径大小为3~5μm。

3.根据权利要求1所述的纤维增强钛酸铝复合材料，其特征在于，所采用的钛黄粉中TiO₂的重量百分比不小于92％，最大颗粒粒径不大于10μm。

4.根据权利要求1所述的纤维增强钛酸铝复合材料，其特征在于，所采用的莫来石纤维长度为30~60mm，直径为3~10μm。

5.根据权利要求1所述的纤维增强钛酸铝复合材料，其特征在于，所述稳定剂中氧化镁的重量百分比为70％~85％，氧化铈的重量百分比为15％~30％。

6.一种制备权利要求1所述的纤维增强钛酸铝复合材料制品的方法，其特征在于，它包括下列步骤：

(1)将α-Al₂O₃，钛黄粉，莫来石纤维，稳定剂按配比要求加入到球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶0.8~1∶0.4~0.5；

(2)在球磨机中混合0.5~1个小时后，倒出料浆，立即在模具中真空注浆成型；

(3)脱模修整后110℃烘干至水分含量不大于1％；

(4)烘干后的样品于1400~1450℃烧成。