CN103922713B

CN103922713B - 一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103922713B
Application number: CN201410094364.0A
Authority: CN
Inventors: 梁峰; 叶林峰; 赵雷; 薛正良; 方伟; 王富成; 陈辉; 陈欢
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103922713A

Abstract

一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。其方案是：以20~70wt%水铝石、10~30wt%无定型二氧化硅、5~30wt%滑石粉和10~40wt%黏土为原料，外加原料3~10wt%水，搅拌，成型，干燥，1250~1350℃条件下保温2~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。然后以该复合材料的粒度为2~1mm和1~0.088m的颗粒为骨料，以粒度小于0.088m的粉体为基质，外加糊精和水，混匀，成型，干燥，1250~1350℃条件下保温2~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。本发明具有成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控的特点，其制品体积密度小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。

Description

一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于轻质复合陶瓷材料技术领域。具体涉及一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着陶瓷工业的迅速发展，陶瓷产品趋向优质、高产和低耗，烧成工艺倾向于快烧技术，使得堇青石-莫来石窑具材料得到大量推广。目前，国内外对堇青石-莫来石质窑具的研究已有不少，其制造方法一般可归纳为以下3种：（1）分别预合成堇青石和莫来石熟料，作为骨料和基质，经配料、成型后烧成；（2）先预合成莫来石熟料作为骨料，再在基质中原位生成堇青石；（3）直接原位合成堇青石-莫来石复合材料。在工业应用上主要采用前两种，但普遍存在骨料与基质料结合不紧密，热震稳定性较差等问题；直接原位合成的堇青石-莫来石复合材料由于强度较低尚未在工业上广泛应用。

多孔轻质堇青石-莫来石材料是一种轻量化节能窑具，有望成为新一代高性能窑具材料。关于该材料的研究虽有一定进展，但仍存在一些问题。如“节能型轻质堇青石-莫来石窑具材料、窑具及制备方法”（CN103130524A）专利技术，以漂珠、蓝晶石和莫来石为骨料，以镁粉、滑石、氧化铝和黏土为基质料，外加木粉为造孔剂，所制得的轻质堇青石-莫来石窑具虽有其优点，但其缺点是材料相组成分布不均匀，且漂珠原料中含有大量杂质，在影响材料中堇青石和莫来石的成分含量的同时，产生大量液相，使材料性能降低，另外，以木粉为造孔剂，会产生二氧化碳，造成二次污染，不利于环保。另如“一种多孔堇青石-莫来石复合陶瓷材料及制备方法”（CN102557717B）专利技术，以煤矸石、氢氧化铝、滑石、菱镁矿和硅石粉为原料，直接原位合成法制备多孔堇青石-莫来石材料，虽有其优点，但其缺点是合成温度较高、线变化率大和材料的结合强度低。

综上所述，目前制备的多孔轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料存在以下缺点：强度低，物相成分布不均匀，杂质含量高，抗热震性不高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法；用该方法制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、以20~70wt%的水铝石、10~30wt%的无定型二氧化硅、5~30wt%的滑石粉和10~40wt%的黏土为原料，外加所述原料3~10wt%的水，搅拌均匀，在60~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~300℃条件下干燥12~36小时，升温至1250~1350℃，保温2~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。

步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为1~0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。

步骤三、以20~50wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和10~40wt%的粒度为1~0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以20~50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~8wt%的糊精和3~10wt%的水，混合均匀，在60~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~300℃条件下干燥12~36小时，在1250~1350℃条件下保温2~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

所述水铝石为拟薄水铝石、硬水铝石和软水铝石中的一种以上。

所述无定型二氧化硅为硅微粉、白炭黑中的一种或两种；无定型二氧化硅的SiO₂含量为90~99wt%，粒径小于0.5μm。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：

1、本发明采用的原料之一的水铝石比表面高、孔容大和烧失量为20~35wt%，水铝石在材料热处理过程中，不仅能原位形成气孔，且能在1100~1200℃条件下热处理得到纳米级α-Al₂O₃，具有较高的反应活性，实现了堇青石-莫来石相的低温合成。

2、本发明采用的原料之一的无定型二氧化硅为纳米二氧化硅，SiO₂含量可达99wt%，粒径小于0.5μm，具有较高的反应活性，减少了材料中杂质含量，能精确控制物相成分的比例，并实现堇青石-莫来石相的低温合成。

3、本发明采用的主要原料包括水铝石、无定型二氧化硅、滑石粉和黏土，均为陶瓷行业常用原料，原料易得，价格低廉，能降低材料的制备成本。

4、本发明通过二步法制备轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料，采用预合成的多孔堇青石-莫来石复合骨料和基质粉料为原料，减小了烧制过程中材料的收缩性，能实现材料中骨料和基质之间的紧密结合，达到物相成分和气孔孔径的均匀分布；同时，颗粒之间的相互堆积，能进一步提高材料的气孔率、节约原料的使用量和材料的轻量化。

本发明所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为10~90wt%的堇青石、9~89wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，气孔率为40~70%，体积密度为0.96~1.58g/cm³，平均孔径为20~80μm，线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度9~18MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)7~16MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）55~85%。

因此，本发明具有成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控等特点，所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。

附图说明

图1为本发明制备的一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的显微结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

本具体实施方式中：硅微粉和白炭黑的SiO₂含量均为90~99wt%，粒径均小于0.5μm。实施例中不再赘述。

实施例1

一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是：

步骤一、以20~40wt%的水铝石、10~18wt%的无定型二氧化硅、20~30wt%的滑石粉和30~40wt%的黏土为原料，外加所述原料7~10wt%的水，搅拌均匀，在60~80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~150℃条件下干燥12~24小时，升温至1250~1280℃，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。

步骤三、以20~40wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和30~40wt%的粒度为1~0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以30~40wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~4wt%的糊精和7~10wt%的水，混合均匀，在60~80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~150℃条件下干燥12~24小时，在1250~1280℃条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

本实施例中：水铝石为拟薄水铝石；无定型二氧化硅为白炭黑。

本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为60~90wt%的堇青石和9~39wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为40~50%，体积密度为1.26~1.58g/cm³，平均孔径为20~60μm，线变化率为-0.2~0.2%，常温抗折强度12~15MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)10~13MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）75~85%。

实施例2

步骤一、以30~50wt%的水铝石、15~20wt%的无定型二氧化硅、15~20wt%的滑石粉和20~30wt%的黏土为原料，外加所述原料5~7wt%的水，搅拌均匀，在60~80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150~300℃条件下干燥24~36小时，升温至1280~1320℃，保温4~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。

步骤三、以30~50wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和30~40wt%的粒度为1~0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以20~30wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和4~6wt%的糊精和5~7wt%的水，混合均匀，在60~80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150~300℃条件下干燥24~36小时，在1280~1320℃条件下保温4~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

本实施例中：水铝石为硬水铝石；无定型二氧化硅为8~10wt%的白炭黑和7~10wt%的硅微粉。

本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为35~65wt%的堇青石和34~54wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为50~60%，体积密度为1.12~1.46g/cm³，平均孔径为30~70μm，线变化率为-0.3~0.3%，常温抗折强度9~12MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)7~10MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）65~75%。

实施例3

步骤一、以50~70wt%的水铝石、15~25wt%的无定型二氧化硅、5~15wt%的滑石粉和10~20wt%的黏土为原料，外加所述原料3~5wt%的水，搅拌均匀，在80~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150~300℃条件下干燥12~24小时，升温至1300~1350℃，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。

步骤三、以40~50wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和10~20wt%的粒度为1~0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以40~50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和6~8wt%的糊精和3~5wt%的水，混合均匀，在80~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150~300℃条件下干燥12~24小时，在1300~1350℃条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

本实施例中：水铝石为软水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。

本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为10~45wt%的堇青石和54~89wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为60~70%，体积密度为0.96~1.38g/cm³，平均孔径为40~80μm，线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度15~18MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)13~16MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）55~65%。

实施例4

本实施例中：水铝石为15~25wt%的拟薄水铝石和15~25wt%硬水铝石；无定型二氧化硅为8~10wt%的白炭黑和7~10wt%的硅微粉。

实施例5

本实施例中：水铝石为25~35wt%的拟薄水铝石和25~35wt%软水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。

实施例6

步骤三、以20~40wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和20~40wt%的粒度为1~0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以30~40wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~4wt%的糊精和7~10wt%的水，混合均匀，在60~80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~150℃条件下干燥12~24小时，在1250~1280℃条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

本实施例中：水铝石为10~20wt%的硬水铝石和10~20wt%软水铝石；无定型二氧化硅为白炭黑。

实施例7

步骤一、以45~66wt%的水铝石、20~30wt%的无定型二氧化硅、5~15wt%的滑石粉和10~20wt%的黏土为原料，外加所述原料3~5wt%的水，搅拌均匀，在80~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150~300℃条件下干燥12~24小时，升温至1300~1350℃，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。

本实施例中：水铝石为15~22wt%的拟薄水铝石、15~22wt%的软水铝石和15~22wt%的硬水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。

本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为15~50wt%的堇青石和50~85wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为55~65%，体积密度为1.06~1.32g/cm³，平均孔径为40~80μm，线变化率为-0.4~0.4%，常温抗折强度13~16MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)11~14MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）60~70%。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：

1、本具体实施方式采用的原料之一的水铝石比表面高、孔容大和烧失量为20~35%，水铝石在材料热处理过程中，不仅能原位形成气孔，且能在1100~1200℃条件下热处理得到纳米级α-Al₂O₃，具有较高的反应活性，实现了堇青石-莫来石相的低温合成。

2、本具体实施方式采用的原料之一的无定型二氧化硅为纳米二氧化硅，SiO₂含量可达99%，粒径小于0.5μm，具有较高的反应活性，减少了材料中杂质含量，能精确控制物相成分的比例，并实现堇青石-莫来石相的低温合成。

3、本具体实施方式采用的主要原料包括水铝石、无定型二氧化硅、滑石粉和黏土，都为陶瓷行业常用原料，原料易得，价格低廉，能降低材料的制备成本。

4、本具体实施方式通过二步法制备轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料，采用预合成的多孔堇青石-莫来石复合骨料和基质粉料为原料，减小了烧制过程中材料的收缩性，能实现材料中骨料和基质之间的紧密结合，物相成分和气孔孔径的均匀分布；同时，颗粒之间的相互堆积，能进一步提高材料的气孔率、节约原料的使用量和实现材料的轻量化。

本具体实施方式所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料：主要物相为10~90wt%的堇青石和9~89wt%的莫来石和1~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，气孔率为40~70%，体积密度为0.96~1.58g/cm³，平均孔径为20~80μm，线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度9~18MPa，高温抗折强度(1250℃×0.5h)7~16MPa，热震强度保持率（1100℃-水冷热震3次）55~85%。

因此，本具体实施方式具有成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控等特点，所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。

Claims

1.一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以20~70wt%的水铝石、10~30wt%的无定型二氧化硅、5~30wt%的滑石粉和10~40wt%的黏土为原料，外加所述原料3~10wt%的水，搅拌均匀，在60~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~300℃条件下干燥12~36小时，升温至1250~1350℃，保温2~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料；

步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为1~0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体；

步骤三、以20~50wt%的粒度为2~1mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和10~40wt%的粒度为1~0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以20~50wt%的粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~8wt%的糊精和3~10wt%的水，混合均匀，在60~100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100~300℃条件下干燥12~36小时，在1250~1350℃条件下保温2~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述水铝石为拟薄水铝石、硬水铝石和软水铝石中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述无定型二氧化硅为硅微粉、白炭黑中的一种或两种；无定型二氧化硅的SiO₂含量为90~99wt%，粒径小于0.5μm。

4.一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料，其特征在于所述轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料是根据权利要求1~3项中任一项所述的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。