CN103601473B - 一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷及其制备方法。该氧化镁陶瓷采用高纯度轻质氧化镁为原料，高纯度的五氧化二钒、氧化钇、氧化铝以及二氧化钛的一种或多种混合为添加剂制备而成，其中氧化镁含量≥93wt%、相对致密度≥97%，添加剂含量为0-7wt%，氧化钙、氧化铁等杂质总含量<1wt%。通过混料、干燥、造粒、成型和烧结的工艺制备得到所述氧化镁陶瓷。本发明氧化镁陶瓷具有纯度高、致密度高、耐高温、耐腐蚀、气密性好、无污染等特点，可长期应用于高温烧结、冶炼金属等高温、耐腐蚀性环境，且制备工艺稳定、成品率高、适应范围广，适于批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷及其制备方法，属于结构陶瓷及耐火材料领域。
背景技术
氧化镁陶瓷属于立方晶系，熔点在2800℃左右，莫氏硬度为5-6，高温下比体积电阻值较高，有良好的绝缘性。氧化镁陶瓷的高温稳定性、耐腐蚀性能优于氧化铝陶瓷，可以在强碱金属腐蚀性环境下使用。比如应用于钠硫电池Beta氧化铝(β-Al2O3)固体陶瓷电解质管的高温烧结，它在高温下耐碱性腐蚀，使用寿命长，可以有效弥补刚玉等高温常规耐火材料在一些苛刻高温环境应用的不足。此外，氧化镁与许多金属接触时不发生化学反应，在惰性气氛中，即使温度高达1800℃，氧化镁与镍、钼、铌等金属也不发生反应。因此，氧化镁管、坩埚可用于熔炼各种合金钢、高温合金而不污染合金溶液。
目前国内市场上氧化镁陶瓷制品多为纯度或致密度较低的产品，用于耐火材料、陶瓷坩埚及热电偶保护管等。专利200810156563.4公布了一种炼钢用氧化镁质耐火材料及施工方法，其产品氧化镁含量为93%-95%，密度<3g/cm3。专利201010281144.0公布了一种高致密氧化镁陶瓷的制备方法，使用纳米级高纯碱式碳酸镁，经过煅烧、成型、烧结获得氧化镁陶瓷，对原料要求较高。专利201010563871.6提供了一种使用凝胶注模工艺制备高致密氧化镁陶瓷的方法，其工艺相对复杂，要使用较多有机物。高纯度氧化镁陶瓷具有耐高温、耐腐蚀等优点，但高纯度氧化镁陶瓷较难致密烧结，使用高纯度轻质氧化镁为原料，由于其堆积密度低、反应活性强，使得制粉、成型有一定困难，特别是制备高致密度大尺寸氧化镁管、坩埚容易产生变形、开裂等现象。
发明内容
本发明针对目前氧化镁陶瓷制备方法的不足和市场对高性能氧化镁陶瓷产品的需求，提出了一种制备高纯度、高致密度氧化镁陶瓷及其制备方法，该氧化镁陶瓷具有纯度高、致密度高的特点，可长期应用于高温烧结、冶炼金属等高温、耐腐蚀性环境。
本发明采用的技术方案如下：
一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷，其特征在于，该氧化镁陶瓷采用高纯度轻质氧化镁为原料，高纯度的五氧化二钒、氧化钇、氧化铝以及二氧化钛的的一种或多种混合为添加剂制备而成，其中氧化镁含量≥93wt%、相对致密度≥97%，添加剂含量为0-7wt%，氧化钙、氧化铁等杂质总含量<1wt%。
所述添加剂的组成成分如下：0-3wt%的五氧化二钒、0-6wt%的氧化钇、0-5wt%的氧化铝、0-4wt%的二氧化钛。
一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
（1）将原料粉体按照一定的比例组成称量，混合均匀，按照每1g混合粉体加入0.5-3mL的液体球磨介质，湿磨混料2-40小时，得到均匀混合的陶瓷浆料；
（2）将所述陶瓷浆料进行干燥、造粒，获得流动性好、颗粒尺寸为5-500μm、堆积密度，0.5-1.5g/cm3的陶瓷粉体，所述干燥、造粒工艺可以选用喷雾干燥方法，也可采用加压、成型再破碎的工艺及其他造粒工艺；
（3）将所得陶瓷粉体进行成型获得陶瓷坯体，通常采用冷等静压在100-300MPa压力下保压1-20分钟成型，并按照需要进行预加工处理；
（4）将所述陶瓷坯体在高温烧结炉中按照特定烧结制度高温烧结获得氧化镁陶瓷。
所述干燥、造粒工艺可以选用喷雾干燥方法，也可采用加压、成型再破碎的工艺及其他造粒工艺。
所述烧结制度为：以1℃/min-20℃/min的升温速率从室温升温到400-600℃保温0-100分钟，以1℃/min-15℃/min的升温速率升温到800℃-1200℃，保温0-100分钟，以1℃/min-10℃/min的升温速率升温到1500-1800℃保温1-10小时，然后以1℃/min-20℃/min的降温速率冷却至室温。
本发明的有益效果：
本发明制得的氧化镁陶瓷具有纯度高、致密度高、耐高温、耐腐蚀、气密性好、无污染等特点，可长期应用于高温烧结、冶炼金属等高温、耐腐蚀性环境。本发明制备工艺稳定、成品率高、适应范围广，适于批量化生产的特点，且不受具体陶瓷形状限制，适用于制备各种尺寸、形状的氧化镁陶瓷，如氧化镁坩埚、氧化镁陶瓷棒、氧化镁陶瓷管等，特别适用于制备用于烧结钠硫电池β-Al2O3固体陶瓷电解质管的大长径比氧化镁陶瓷坩埚，并有效解决了大长径比氧化镁陶瓷管烧结变形、开裂的问题，陶瓷管烧结成品率几乎百分之百。
附图说明
图1为烧结氧化镁陶瓷断面SEM图，陶瓷烧结致密，内部无明显气孔。
图2为烧结氧化镁陶瓷管照片，所制备氧化镁陶瓷管产品成品率高、致密度高，根据厚度不同，具有一定的半透明度。
具体实施方式
实施例1
将99.2g纯度≥99.9%的轻质氧化镁粉体和0.2g五氧化二钒、0.1g氧化铝以及0.5g二氧化钛粉体放入球磨罐中，加入球磨介质和氧化锆球200g，以200转/分的转速球磨10小时，获得氧化镁浆料；将所得浆料在70℃烘干20小时，然后所得烘干粉体放入冷等静压橡胶模具中在150MPa压力下进行预压，然后使用粉碎机将预压后的块体进行粉碎，得到堆积密度约为0.8g/cm3的陶瓷粉体；将所得粉体使用粉末压片模具和压片机在100MPa压片成型，所得圆片在1590℃烧结1小时，升降温速率为3℃/min，得到致密氧化镁陶瓷圆片。其氧化镁含量>99%、致密度为3.5g/cm3。
实施例2
称取97g纯度>99%的轻质氧化镁粉体、0.5g五氧化二钒和2.5g氧化钇粉体，加入球磨介质和氧化锆球200g，以250转/分的转速球磨5小时，获得氧化镁浆料；将所得浆料使用喷雾干燥机喷雾干燥并造粒，获得流动性好的氧化镁粉体；将所得粉体使用粉末压片模具和压片机在50MPa压片成型，然后冷等静压200MPa处理，所得圆片在1550℃烧结100分钟，升降温速率为3℃/min，得到致密氧化镁陶瓷圆片。其氧化镁含量>96%、致密度为3.5g/cm3。
实施例3
称取1950g纯度>99.9轻质氧化镁粉体和5g氧化铝、45g氧化钇粉体，加入球磨介质和球磨球在滚筒式混料机中混料12小时，得到均匀混合的陶瓷粉体浆料；将所得浆料在60℃烘干20小时，然后所得烘干粉体放入冷等静压橡胶模具中在150MPa压力下进行预压，然后使用粉碎机将预压后的块体进行粉碎造粒得到成型性好的粉体；将所得粉体装入冷等静压用陶瓷管成型模具，在200MPa成型获得尺寸为外径Φ85mm内径Φ73mm长396mm的陶瓷管坯体；对坯体进行简单加工后将陶瓷管坯体置于高温炉内进行烧结，烧结制度为以6℃/min的升温速率从室温升温到500℃保温30分钟，以4℃/min的升温速率升温到900℃，保温60分钟，以3℃/min的升温速率升温到1720℃保温1小时，然后以3℃/min的降温速率冷却至室温。烧结后获得纯度>97%、致密度为3.56g/cm3的陶瓷管陶瓷管，尺寸为外径Φ71mm内径Φ61mm长331mm的氧化镁陶瓷管。
实施例4
称取983g纯度>99.9轻质氧化镁粉体、2g五氧化二钒、8g氧化钇和7g二氧化钛粉体，在滚筒式混料机中混料8小时，得到均匀混合的陶瓷粉体浆料；将所得浆料在60℃烘干20小时，然后所得烘干粉体放入冷等静压橡胶模具中在150MPa压力下进行预压，然后使用粉碎机将预压后的块体进行粉碎造粒得到成型性好的粉体；将所得粉体装入冷等静压用一端封闭陶瓷管成型模具，在200MPa成型获得尺寸为外径Φ79mm内径Φ66mm长338mm的一端封闭陶瓷管坯体；对坯体进行简单加工后将陶瓷管坯体在高温炉内进行烧结，烧结制度为以4℃/min的升温速率从室温升温到1000℃保温60分钟，以3℃/min的升温速率升温到1650℃，保温60分钟，然后以3℃/min的降温速率冷却至室温。烧结后获得纯度>98%、致密度为3.53g/cm3的陶瓷管，尺寸为外径Φ66mm内径Φ55mm长282mm的一端封闭氧化镁陶瓷管。
以上实施例仅供辅助说明本发明内容，但并不局限于所述实例。相关领域专业技术人员，在本发明内容及实施例所述技术上，做出的不脱离本发明范围的修改、延伸技术仍属于本发明的范畴，具体由权利要求限定。
Claims (5)
1.一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷，其特征在于，该氧化镁陶瓷采用高纯度轻质氧化镁为原料，高纯度的五氧化二钒、氧化钇、氧化铝以及二氧化钛的一种或多种混合为添加剂制备而成，其中氧化镁含量≥93wt%、相对致密度≥97%，添加剂含量为0-7wt%，氧化钙、氧化铁等杂质总含量<1wt%。
2.根据权利要求1所述的一种高纯度、高致密度氧化镁陶瓷，其特征在于，所述添加剂的组成成分如下：0-3wt%的五氧化二钒、0-6wt%的氧化钇、0-5wt%的氧化铝、0-4wt%的二氧化钛。
3.一种如权利要求1所述的高纯度、高致密度氧化镁陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将原料粉体按照一定的比例组成称量，混合均匀，按照每1g混合粉体加入0.5-3mL的液体球磨介质，湿磨混料2-40小时，得到均匀混合的陶瓷浆料；
（2）将所述陶瓷浆料进行干燥、造粒，获得流动性好、颗粒尺寸为5-500μm、堆积密度，0.5-1.5g/cm3的陶瓷粉体，所述干燥、造粒工艺可以选用喷雾干燥方法，也可采用加压、成型再破碎的工艺及其他造粒工艺；
（3）将所得陶瓷粉体进行成型获得陶瓷坯体，通常采用冷等静压在100-300MPa压力下保压1-20分钟成型，并按照需要进行预加工处理；
（4）将所述陶瓷坯体在高温烧结炉中按照特定烧结制度高温烧结获得氧化镁陶瓷。
4.根据权利要求3所述的高纯度、高致密度氧化镁陶瓷的制备方法，其特征在于，所述干燥、造粒工艺可以选用喷雾干燥方法，也可采用加压、成型再破碎的工艺及其他造粒工艺。
5.根据权利要求3所述的高纯度、高致密度氧化镁陶瓷的制备方法，其特征在于，所述烧结制度为：以1℃/min-20℃/min的升温速率从室温升温到400-600℃保温0-100分钟，以1℃/min-15℃/min的升温速率升温到800℃-1200℃，保温0-100分钟，以1℃/min-10℃/min的升温速率升温到1500-1800℃保温1-10小时，然后以1℃/min-20℃/min的降温速率冷却至室温。
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