CN102659428B - 一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体及其制备方法，属于陶瓷、耐火材料技术领域。所提出的纳米碳包覆陶瓷粉体其制备工艺为：以鳞片石墨或膨胀石墨为碳源原料，以Al2O3粉或ZrO2粉或MgO粉为陶瓷粉体原料，按碳源原料与陶瓷粉体原料的质量比1:1~1:10混合均匀；将混合粉体放入球磨罐中，采用机械球磨方法制备得到被纳米碳颗粒完全或部分包覆的陶瓷复合粉体。所合成的陶瓷复合粉体可以应用到含碳耐火材料中，本发明制备工艺简单，工艺参数稳定、易控制，球磨效率高，能获得纳米级别碳颗粒包覆在陶瓷粉体表面的复合粉体，可以规模化工业生产。
Description
技术领域：
本发明涉及一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体及其制备方法，这种复合粉体可用于含碳耐火材料，属于耐火材料原料技术领域。
背景技术：
纳米技术在耐火材料和陶瓷行业中应用是目前人们研究的热点，纳米颗粒由于其尺寸效应，具有增韧、增强和提高材料抗热震性等优点。碳素材料具有高导热性、低膨胀性及对炼钢熔渣不润湿性等优点，因此含碳耐火材料被广泛应用于钢铁冶炼中的转炉、电炉、钢包以及滑板和炉外精炼等方面。传统含碳耐火材料中的铝碳、镁碳和锆碳耐火材料，一般采用石墨作为碳素材料，材料中碳含量一般在15~20%左右。由于耐火材料存在的大量碳会对钢水造成增碳作用，随着对钢材质量要求的提高，对耐火材料中碳含量要求越来越严格，碳含量小于5%的低碳耐火材料是目前研究热点及未来发展方向。低碳耐火材料由于降低了碳的含量，导致了材料在使用过程中抗热震及抗侵蚀性能明显下降，为了解决这个问题，国内外研究者纷纷提出采用纳米碳技术来改善低碳耐火材料的性能，即通过在低碳耐火材料加入纳米粒度的碳素材料来改善材料的抗热震性能。有研究者将纳米炭黑作为碳源加入到低碳铝碳、镁碳和锆碳耐火材料中，发现可以使低碳耐火材料性能抗热震性能和抗渣侵蚀性能有一定改善。但是目前将纳米粒度碳素材料（如纳米炭黑）加入到耐火材料中的方式都是采用普通机械互混，由于纳米粒度的颗粒具有很高的表面能极易发生团聚，此外一般耐火材料中加入的纳米碳原料一般含量较少，这样就造成本身加入量较少的纳米粒度碳素材料在耐火材料中分散不均匀，使纳米碳素材料的性能不能充分发挥导致所制备的含碳耐火材料（铝碳、镁碳或锆碳）在抗热震及抗渣侵蚀等性能方面改善不明显。
机械球磨是粉体制备的一种常见普遍的物理方法，通过控制球磨参数可以获得一定粒度的粉体，目前机械球磨陶瓷原料可以获得的最小粒度一般在2微米左右，想要仅通过机械球磨获得纳米粒度粉体几乎是不可能实现的。同时机械球磨也是一种使几种原料混合均匀的常规方式，但是如果原料中有纳米粒度粉体一般情况下要想使纳米级别的几种粉体混合均匀也是不可能实现的，因为纳米粒度粉体极易发生团聚。
发明内容：
本发明的目的是提供一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体及其制备方法，即采用机械球磨的方法合成一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体。
本发明完成其发明任务所采取的技术方案是：
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，陶瓷粉体表面完全或部分被小于100纳米的碳颗粒所包覆。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，所述陶瓷粉体为氧化铝粉或氧化锆粉或氧化镁粉，陶瓷粉体粒度在1微米~50微米，其中1微米~10微米粒度区域效果最佳。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，所述的小于100纳米碳颗粒的来源为鳞片石墨或膨胀石墨，为鳞片石墨或膨胀石墨经机械球磨方式得到。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，以鳞片石墨或膨胀石墨为碳源原料，碳源粒度在1微米~200微米，将碳源原料与陶瓷粉体原料混合后采用机械球磨方法直接制备得到；所述陶瓷粉体为氧化铝粉或氧化锆粉或氧化镁粉，陶瓷粉体粒度在1微米~50微米，所述的机械球磨方法为高能球磨或振动磨球磨。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，机械球磨时所加碳源原料与陶瓷粉体的质量比为1:1~10。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，机械球磨时碳源原料与陶瓷粉体原料的混合粉体与研磨球的质量比为1:5~50。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，在100~800转/每分钟的速度下高能球磨3~50小时或采用振动磨在10~30Hz的频率下振动球磨10~50小时得到被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体。
一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，陶瓷粉体粒度在1微米~10微米。
本发明采用机械球磨共混工艺，其具体原理为：由于鳞片石墨和膨胀石墨的层状结构特性，在机械球磨过程中微米级陶瓷粉体和研磨球不断研磨撞击作用下鳞片石墨或膨胀石墨使鳞片石墨或膨胀石墨片层逐渐剥离脱落形成纳米厚度片层，同时纳米厚度片层被不断破碎成纳米粒度碳颗粒；纳米级的小颗粒碳由于具有很高的比表面积，活化能很高，很容易附着到陶瓷颗粒表面；混合料中的陶瓷粉体由于研磨球的研磨和撞击作用获得能量，当能量足够大时，粉体表面会被活化，此时鳞片石墨或膨胀石墨破碎形成的纳米粒度碳颗粒就被吸附在陶瓷粉体表面的活化位；随着球磨时间延长陶瓷粉体颗粒表面也会存在许多缺陷位，这可以为纳米碳包覆提供场所。因此纳米尺度的碳颗粒会不断包覆到陶瓷粉体颗粒表面。
一般的粉体原料在球磨过程中不易达到纳米粒度只能达到微米粒度，而本发明采用的鳞片石墨原料由于是一种层状结构原料，层状结构鳞片石墨在一定的外力作用下可以使石墨片层逐渐剥落形成纳米厚度的片层，纳米厚度片层在球磨过程又会不断破碎，这就可以得到纳米粒度碳。而采用膨胀石墨做碳源时，由于膨胀石墨本身石墨片层已经被膨胀开，具有较大的缝隙，在与微米级陶瓷粉体共混球磨时石墨片层更容易剥落破碎成纳米颗粒。本发明利用了鳞片石墨及膨胀石墨的这种特性，采用微米级的鳞片石墨或膨胀石墨为碳源材料与一定比例陶瓷粉体（氧化铝粉或氧化镁粉或氧化锆粉）共同混合球磨，在一定的机械球磨工艺参数下，使微米级的鳞片石墨或膨胀石墨破碎成纳米粒度碳颗粒，在获得纳米粒度碳颗粒的同时生成的纳米粒度碳颗粒还会包覆在陶瓷粉体表面，解决了纳米碳在陶瓷粉体中的均匀分散问题。
本发明涉及的这种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体及其制备方法具有成本低、操作过程简单，工艺易控制，能实现工业化生产的优势。
附图说明
图1，2，3是实施例1所制备纳米碳包覆氧化铝粉体的不同放大倍数场发射扫描电镜照片。
图4是实施例2所制备纳米碳包覆氧化锆粉体的场发射扫描电镜照片。
图5，6是实施例3所制备纳米碳包覆氧化镁粉体的场发射扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
高能球磨机制备（采用沈阳市科源机电设备厂制造的GN-2型高能球磨机）：以600目（23微米）膨胀石墨为碳源原料，以2微米氧化铝粉为陶瓷粉体，按膨胀石墨：氧化铝粉质量比=1:2称取原料并混合；然后将混合粉体装入球磨罐中，磨罐为钢罐，用直径2~5mm的钢球做研磨球。按混合粉体：球质量比为1:20的比例进行高能球磨，球磨速率为600转/每分钟，球磨10小时即可得到被纳米碳颗粒包覆的氧化铝复合粉体，如图1，2，3所示。经扫描电镜观察，可以看到氧化铝粉体颗粒表面包覆着许多纳米尺度的碳颗粒，从图3可看出碳颗粒的粒度在20纳米左右。
实施例2
采用高能球磨机制备（采用沈阳市科源机电设备厂制造的GN-2型高能球磨机）：以199#（150微米）鳞片石墨为碳源原料，以2微米氧化锆粉为陶瓷粉体，按石墨：氧化锆粉质量比=1:3称取原料并混合；然后将混合粉体装入球磨罐中，磨罐为钢罐，用直径2~5mm的钢球做研磨球。按料球比为1:15的质量比进行高能球磨，球磨速率为700转/每分钟，球磨3小时即可得到被纳米碳颗粒包覆的氧化锆复合粉体，如图4所示。
实施例3
采用振动磨球磨制备（温州市新矿粉体机械有限公司制造的2MZS-3型振动磨）：以600目膨胀石墨为碳源原料，以2微米氧化镁粉为陶瓷粉体，按膨胀石墨：氧化镁粉质量比=1:3称取原料并混合；然后将混合粉体装入球磨罐中，磨罐为钢罐，用直径5~10mm的刚玉球做研磨球。按料球比为1:5的质量比进行振动球磨，振动频率23.2Hz，球磨30小时即可得到被纳米碳颗粒包覆的氧化镁复合粉体，如图5和图6所示。
Claims (6)
1.一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，其特征在于：陶瓷粉体表面完全或部分被小于100纳米的碳颗粒所包覆，所述陶瓷粉体粒度为1微米~50微米，所述的小于100纳米碳颗粒的来源为鳞片石墨或膨胀石墨，鳞片石墨或膨胀石墨的粒度为1微米~200微米。
2.根据权利要求1所述的一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷粉体为氧化铝粉或氧化锆粉或氧化镁粉。
3.根据权利要求1所述的一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷粉体粒度为1微米~10微米。
4.一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，其特征在于：以鳞片石墨或膨胀石墨为碳源原料，碳源粒度在1微米~200微米，将碳源原料与陶瓷粉体混合后采用机械球磨方法直接制备得到；所述陶瓷粉体为氧化铝粉或氧化锆粉或氧化镁粉，陶瓷粉体粒度在1微米~50微米，机械球磨时所加碳源原料与陶瓷粉体的质量比为1:1~10；所述的机械球磨方法为高能球磨或振动磨球磨；高能球磨的速度为100~800转/每分钟，时间为3~50小时；振动磨球磨为采用振动磨在10~30Hz的频率下振动球磨10~50小时。
5.根据权利要求4所述的一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，其特征在于：机械球磨时碳源原料与陶瓷粉体的混合粉体与研磨球的质量比为1:5~50。
6.根据权利要求4所述的一种被纳米碳包覆的陶瓷复合粉体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体粒度为1微米~10微米。
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