CN103664149A - 一种远红外陶瓷材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种远红外陶瓷材料及其制造方法，涉及陶瓷材料领域和红外线技术领域。制造方法包括如下步骤：步骤1）称料混合：按重量百分比为：二氧化硅75～90%，锆的氧化物或盐6～13%，钕的氧化物或盐1～3%，铕的氧化物或盐1～3%，铬的氧化物或盐0～2%，钴的氧化物或盐0～2.5%，四硼化硅0～3%称取原材料，混合破碎至颗粒度小于5.0微米，制成混合料；步骤2）成型：将混合料成型得到坯体；步骤3）烧成：将坯体放入窑炉中，在1160℃～1260℃烧成60～120分钟，得到远红外陶瓷材料。本发明提供的远红外陶瓷材料具有远红外辐射波段稳定、辐射效率高、热稳定性高等优点，能更好的适用于频繁急冷急热的环境。

Description

一种远红外陶瓷材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料中的陶瓷材料领域和红外线技术领域，尤其涉及具有远红外辐射功能的特种陶瓷材料及其制造技术。

背景技术

随着科技的发展，红外技术得到广泛的应用。目前，红外陶瓷材料作为红外技术中的一类重要材料，已大量应用于工业加热与干燥、食品加工、医疗保健、纺织产品、日用电器、化工生产、国防产品、环境保护等领域。针对不同的应用领域，已开发出许多具有特定使用功能的红外陶瓷及其制备技术，申请号为200910181142.1的中国专利申请文献公开了一种采用白云土、托玛琳和沸石为原料，通过传统陶瓷制备工艺生产的具有人体保健功能的远红外陶瓷材料；申请号为200910199302.5的中国专利申请文献公开了一种使用氧化锆、硅酸锆、长石、氧化铝、氧化锰、氮化硼为原料制备远红外陶瓷的技术；专利申请号为201110001721.0的中国专利申请文献公开了一种用于金属表面涂覆的远红外陶瓷材料，主要成份是碳化硅、氧化铝、高岭土、低温玻璃粉等；专利申请号为200910045111.3的中国专利申请文献公开了一种应用溶胶法制备纳米远红外辐射材料的技术等。

以上公开的远红外陶瓷材料中，大部分是以远红外陶瓷粉体的形式加以应用，如常温远红外陶瓷粉体应用于纺织品，中高温远红外陶瓷粉体以涂覆的方式应用于窑炉的节能和金属远红外辐射板等，这些应用对远红外陶瓷材料的热温定性要求不高。对于远红外理疗、远红外加热取暖等主动发热辐射远红外线的远红外陶瓷而言，因为要频繁的急冷急热，远红外陶瓷的热稳定性就显得非常重要。目前，大部分使用的主动发热远红外辐射陶瓷是以堇青石、莫来石陶瓷为基的远红外陶瓷，虽然可以满足部分应用场合，但是它还存在远红外辐射波段和辐射效率不理想、热稳定性不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种远红外陶瓷材料及其制备方法，其具有远红外辐射波段稳定、辐射效率高、热稳定性高等优点，使之能更好的适用于频繁急冷急热的环境，进而拓宽远红外陶瓷的使用范围。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种远红外陶瓷材料，其化学成分由氧化物和硼化物组成，各氧化物及硼化物的重量配比为：二氧化硅75～90%，氧化锆6～13%，氧化钕1～3%，氧化铕1～3%，氧化铬0～2%，氧化钴0～2.5%，四硼化硅0～3%。

优选地，在上述远红外陶瓷材料中，二氧化硅全部为非晶态或部分为非晶态。

本发明采用二氧化硅为远红外陶瓷材料的主要成份，主要目的是为了降低陶瓷的热膨胀系数，因为熔融二氧化硅的热膨胀系数很小，其抗热冲击能力很强，但也存在容易结晶，难以烧结的问题。加入二氧化锆的主要目的是降低陶瓷的烧成温度，促进陶瓷的烧结，同时可有效抑制熔融二氧化硅在烧成时结晶，二氧化硅在烧成时结晶会降低陶瓷的抗热冲击能力，应尽量避免二氧化硅结晶的发生。另外，在石英陶瓷中加入稀土元素，有助于增强硅氧键振动引起的红外线的发射强度，加入稀土钕的氧化物或盐和铕的氧化物或盐的主要目的是提高陶瓷的远红外辐射能力。加入铬的氧化物或盐、钴的氧化物或盐、四硼化硅主要目的是调节辐射远红外线的波段，提高相应波段的远红外辐射能力，同时也有降低陶瓷烧成温度的作用。铬的氧化物或盐、钴的氧化物或盐、四硼化硅可以一起加入，也可以只加入其中的一种或二种，也可以三种都不加。

本发明还公开了上述远红外陶瓷材料的制造方法，其包括如下步骤：

步骤1）称料混合：按重量百分比为：二氧化硅75～90%，锆的氧化物或盐6～13%，钕的氧化物或盐1～3%，铕的氧化物或盐1～3%，铬的氧化物或盐0～2%，钴的氧化物或盐0～2.5%，四硼化硅0～3%称取原材料，混合破碎至颗粒度小于5.0微米，然后制成混合料；

步骤2）成型：将步骤1）得到混合料成型得到坯体；

步骤3）烧成：将步骤2）成型得到的坯体放入窑炉中，在1160℃～1260℃烧成30～120分钟，即可得到远红外陶瓷材料。

优选地，在上述制造方法中，步骤1）所用的原料中二氧化硅全部为非晶态或部分为非晶态，锆的氧化物或盐、钕的氧化物或盐、铕的氧化物或盐、铬的氧化物或盐、钴的氧化物或盐、四硼化硅为晶态。

进一步地，在上述方法中，步骤1）中的混合料为粉料，步骤2）的成型方式为冲压成型。

进一步地，在上述方法中，步骤1）中的混合料为浆料，步骤2）的成型方式为注浆成型。

进一步地，在上述方法中，步骤1）中的混合料为塑性泥料，步骤2）的成型方式为真空挤出成型。

同现有技术相比，本发明提供的远红外陶瓷材料具有如下优点：远红外辐射波段稳定、辐射效率高、热稳定性高等优点，能更好的适用于频繁急冷急热的环境。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）860克，晶态氧化锆粉90克，晶态氧化钕30克，晶态氧化铕20克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入1000毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到2微米时，将球磨的料浆倒入盆内，放入烘箱内烘干，粉碎，得到粉体。在粉体中加入100克3%的PVA（聚乙烯醇）水溶液，搅拌均匀，压块，破碎，过40目筛，得到造粒粉体。将造粒粉体放入80mm×120mm的模具中，在150公斤/平方厘米的压力下压制成形。将成形坯体烘干后，放入高温电炉中，在1230℃保温30分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在2.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为0.9，热膨胀系数为0.6×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例2：

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）480克，石英粉（晶态二氧化硅）350克，氧化锆130克，氧化钕10克，氧化铕30克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入800毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到5微米时，将球磨的料浆倒入盆内，调节浆料水分和流动性，真空消除气泡后，得到陶瓷注浆成形用浆料。将陶瓷注浆料注入石膏模内，静置一段时间，待陶瓷坯体与石膏模分离后，脱模，将脱模后的陶瓷坯体放入烘箱内烘干。将烘干后的坯体放入高温电炉中，在1260℃保温90分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在2.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为0.88，热膨胀系数为1.1×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例3：

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）900克，晶态氧化锆粉60克，晶态氧化钕30克，晶态氧化铕10克，晶态氯化铬20克，晶态氧化钴15克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入1200毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到1.5微米时，将球磨的料浆倒入盆内，放入烘箱内烘干，粉碎，得到陶瓷粉体。在陶瓷粉体中加入100克3%的PVA水溶液，搅拌均匀，压块，破碎，过40目筛，得到造粒粉体。将造粒粉体放入模具中，在150公斤/平方厘米的压力下压制成形，得到80mm×120mm×10mm的陶瓷坯体。将成形坯体烘干后，放入高温电炉中，在1200℃保温60分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在2.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为0.93，热膨胀系数为1.5×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例4：

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）720克，石英粉（晶态二氧化硅）120克，硅酸锆粉70克，氧化钕10克，氧化铕10克，氯化铬15克，氧化钴25克，四硼化硅30克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入1000毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到2微米时，将球磨的料浆倒入盆内，放入烘箱内烘干，粉碎，得到陶瓷粉体。在陶瓷粉体中加入100克3%的PVA水溶液，搅拌均匀，压块，破碎，过40目筛，得到造粒粉体。将造粒粉体放入80mm×120mm的模具中，在150公斤/平方厘米的压力下压制成形。将成形坯体烘干后，放入高温电炉中，在1160℃保温120分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在9.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为0.96，热膨胀系数为1.6×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例5：

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）830克，晶态硅酸锆粉100克，晶态草酸钕20克，晶态草酸铕20克，晶态四硼化硅30克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入800毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到3微米时，将球磨的料浆倒入盆内，放入烘箱内烘干，粉碎，得到陶瓷粉体。在陶瓷粉体中加入250克5%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀，放入练泥机内真空练制，得到塑性泥块。将泥块放入真空挤出机中，挤出空心管，将空心管放入烘箱干燥后，放入高温电炉中，在1190℃保温60分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在3.5微米至7.5微米波段内，远红外线的辐射率为0.97，热膨胀系数为0.9×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例6

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）750克，晶态硅酸锆粉130克，晶态草酸钕30克，晶态草酸铕30克，晶态氯化铬20克，晶态氯化钴10克，晶态四硼化硅30克。将称取的原料一起用干式气流破碎至最大颗粒度为3微米时停止，得到陶瓷粉体。为了让陶瓷粉体便于成型，在此实施例中在陶瓷粉体中加入100克3%的PVA水溶液，然后搅拌均匀、压块、破碎、过40目筛，得到造粒粉体。将造粒粉体放入80mm×120mm的模具中，在150公斤/平方厘米的压力下压制成形。将成形坯体烘干后，放入高温电炉中，在1190℃保温60分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在3.5微米至7.5微米波段内，远红外线的辐射率为0.95，热膨胀系数为0.9×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例7

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）480克，石英粉（晶态二氧化硅）350克，氧化锆130克，氧化钕10克，氧化铕10克，四硼化硅20克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入800毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到5微米时，将球磨的料浆倒入盆内，调节浆料水分和流动性，真空消除气泡后，得到陶瓷注浆成形用浆料。将陶瓷注浆料注入石膏模内，静置一段时间，待陶瓷坯体与石膏模分离后，脱模，将脱模后的陶瓷坯体放入烘箱内烘干。将烘干后的坯体放入高温电炉中，在1260℃保温90分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在2.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为0.90，热膨胀系数为1.0×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

实施例8

称取熔融石英粉（非晶态二氧化硅）720克，石英粉（晶态二氧化硅）120克，晶态硅酸锆粉70克，晶态氧化钕10克，晶态氧化铕10克，晶态氯化铬15克，晶态氧化钴25克，晶态四硼化硅30克。将称取的原料一起放入球磨机内，加入1000毫升去离子水，球磨至最大颗粒度达到2微米时，将球磨的料浆倒入盆内，放入烘箱内烘干，粉碎，得到陶瓷粉体。在陶瓷粉体中加入100克3%的PVA水溶液，搅拌均匀，压块，破碎，过40目筛，得到造粒粉体。将造粒粉体放入80mm×120mm的模具中，在150公斤/平方厘米的压力下压制成形。将成形坯体烘干后，放入高温电炉中，在1160℃保温120分钟烧成，冷却后取出，得到远红外陶瓷样品。该样品在9.5微米至25微米波段内，远红外线的辐射率为1.1，热膨胀系数为1.0×10⁶/℃，样品由1000℃放入25℃冷水中，5次循环不开裂。

由实施例8可以说明选用晶态的原料有助于提升制品性能。

另外，以上实施例为优选实施方式，在实际使用中，例如冲压成型时使用的PVA水溶液可以用其他粘接剂来替换，而且也可以省略添加PVA水溶液或其它粘接剂，当然会较难成型，造成成品率降低，但还能实现本发明。对于真空挤出成型的方式也可以采用其它增塑剂提到羧甲基纤维素水溶液，当然也可以省略，只是难以成型，但还能实现本发明。因此本领域技术人员可以在实际使用中进行适当的改进。

在实际生产中，钕、铕、铬、钴几种元素优选以氧化物或不溶于水的盐类的形式引入，因为某些易溶解的盐类不适合采用湿法球磨的方式混合破碎，而且也不适合采用注浆成型的方式成型，而氧化物和不溶于水的盐类则没有以上限制。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种远红外陶瓷材料，其化学成分由氧化物和硼化物组成，所述氧化物和所述硼化物的重量配比为：二氧化硅75～90%，氧化锆6～13%，氧化钕1～3%，氧化铕1～3%，氧化铬0～2%，氧化钴0～2.5%，四硼化硅0～3%。

2.如权利要求1所述的远红外陶瓷材料，其特征在于，所述二氧化硅全部为非晶态或部分为非晶态。

3.一种红外陶瓷材料的制造方法，其包括如下步骤：

步骤1）称料混合：按重量百分比为：二氧化硅75～90%，锆的氧化物或盐6～13%，钕的氧化物或盐1～3%，铕的氧化物或盐1～3%，铬的氧化物或盐0～2%，钴的氧化物或盐0～2.5%，四硼化硅0～3%称取原材料，混合破碎至颗粒度小于5.0微米，然后制成混合料；

步骤2）成型：将步骤1）得到混合料成型得到坯体；

步骤3）烧成：将步骤2）成型得到的坯体放入窑炉中，在1160℃～1260℃烧成30～120分钟，即可得到远红外陶瓷材料。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1）所用的原料中二氧化硅为非晶态或部分为非晶态，锆的氧化物或盐、钕的氧化物或盐、铕的氧化物或盐、铬的氧化物或盐、钴的氧化物或盐、四硼化硅均为晶态。

5.如权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1）中的混合料为粉料，所述步骤2）的成型方式为冲压成型。

6.如权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1）中的混合料为浆料，所述步骤2）的成型方式为注浆成型。

7.如权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1）中的混合料为塑性泥料，所述步骤2）的成型方式为真空挤出成型。