CN105130388A - 莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：1)按照质量分数，将20～45％的铝矾土粉末、40～68％的高岭土粉末、0～30％粉煤灰、0～13％的钾长石粉末、0～3％的氧化镁粉末、0～4％的氧化钡粉末、0～6％的氧化钙粉末混合得到原料；2)将原料置于球磨机中，球磨至粒径小于20μm得到混合粉料；3)向混合粉料中加入占其质量5～15％的水，搅拌均匀，陈腐1～2h，通过施加压力的方法将其制成坯料；4)加热坯料后降温即得所述原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。该制备方法可弥补现有强化陶瓷材料工艺的不足，在提高性能的同时还可简化工艺过程，降低制备成本。

Description

莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法

技术领域

本发明属于制备硅铝质复相陶瓷的技术领域，尤其涉及一种原位形成莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法。

背景技术

莫来石是一种优质的结构材料，作为一种重要的陶瓷增韧补强材料，莫来石晶须具有耐高温、抗氧化、低膨胀系数、抗热震性、抗腐蚀性等特点。莫来石晶须的用途更为广泛，可以作为金属、高分子、陶瓷基材料的增强组分，提高其热稳定性能。

莫来石晶须的制备方法主要有：

1)溶胶凝胶法合成莫来石晶须：Okada等^[1]和Ismail等^[2]把由正硅酸乙酯和硝酸铝制备的Al₂O₃-SiO₂干凝胶同AlF₃/HF在密闭的容器里煅烧而合成了莫来石晶须；蔡舒等^[3]以正硅酸乙脂和结晶AlCl₃·6H₂O为原料制备莫来石晶须等。

2)Al₂O₃-SiO₂粉末煅烧法合成莫来石晶须。张旭东等^[4]以正硅酸乙酯、硝酸铝和氟化铝为原料制备莫来石晶须。

3)熔盐法合成莫来石晶须。朱伯铨等^[5]采用Al₂(SO₄)₃·18H₂O和SiO₂作为反应原料，在Na₂SO₄熔盐中合成了莫来石晶须。结果表明：在1000℃保温3h,用熔盐法合成的莫来石晶须不含其它晶相，纯度高，晶体直径在50～150nm,长度为3～8μm。

就晶须增韧陶瓷材料途径而言，主要有外部引入法和原位生成法。外部引入法即将制成的晶须由外部引入到基体材料中，虽然增韧补强效果显著，但存在晶须分散困难、分布均匀性差、难烧结以及对人体健康有害等缺点。而采用原位生成法，即将原料混合后在烧结的过程中经过反应原位生成强化相，通过控制莫来石晶须在铝矾土高温物相转变过程中的原位生长，并伴随材料的烧结过程，实现晶须生长与陶瓷材料烧成同步完成则可以制备出莫来石晶须增韧补强陶瓷材料。该技术可弥补现有强化陶瓷材料工艺的不足，在提高性能的同时还可简化工艺过程，降低制备成本。穆柏春采用氧化铝、锆英石和氟化铝为主要原料，采用原位反应合成制备出自生莫来石晶须增韧氧化铝复合材料；武汉理工大学的研究人员也采用原位合成莫来石晶须的方式实现了对SiC泡沫陶瓷的增韧工作；胡克艳等人利用氢氧化铝、氟化铝、苏州土五氧化二钒采用重烧结法先获得含莫来石晶须的混合粉料再加入碳酸钡和碳酸钙进行二次烧结获得莫来石晶须强化高铝陶瓷。然而，现有技术主要集中于制备多孔陶瓷材料，所用原料也较少采用铝矾土，高岭土和粉煤灰等成本较低的矿物原料，特别是尚未有利用碱(碱土)金属作为莫来石晶须原位生成添加剂。

发明内容

为了降低莫来石晶须原位增强陶瓷材料制备工艺成本，简化生产工艺，拓宽该技术的应用领域，本发明提供了一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，该方法以铝矾土、高岭土和粉煤灰为原料，添加适量碱(碱土)金属氧化物，制备莫来石增强刚玉以及石英陶瓷，该材料具有气孔率低，强度高的特点，适用领域较广泛。

为此本发明的技术方案如下：

一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将20～45％的铝矾土粉末、40～68％的高岭土粉末、0～30％粉煤灰、0～13％的钾长石粉末、0～3％的氧化镁粉末、0～4％的氧化钡粉末、0～6％的氧化钙粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为50～68％的铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，料球比为1:1，球磨时间为1～3h，球磨至粒径小于20μm，得到混合粉料；

3)向所述混合原料粉料中加入占其质量5～10％的水并混拌均匀，陈腐1～2h，在压力机上进行成型制坯，得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，以5～15℃/min的速率升温到1350～1420℃，保温40～90min后降温冷却，即得所述原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F类II级混凝土粉煤灰。

优选，所述铝矾土粉末、高岭土粉末、钾长石粉末、氧化镁粉末、氧化钡粉末和氧化钙粉末的粒径均小于80μm。

优选，步骤4)的升温过程分为为三步，第一步以5～10℃/min的速率由室温升温到500～600℃，第二步以6～10℃/min的速率升温到1100～1200℃，第三步以10～15℃/min的速率升温到1350～1500℃。

优选，步骤3)制备坯料的方法为等静压成型，单向加压成型和挤压成型。

优选，所述氧化镁粉末、氧化钡粉末、氧化钙粉末由金属离子对应盐类物质经加热分解反应获得。更优选，所述氧化镁粉末由碳酸镁经加热分解反应获得；所述氧化钡粉末由碳酸钡经加热分解反应获得；所述氧化钙粉末由碳酸钙，硫酸钙或碳酸氢钙经加热分解反应获得。

本发明利用铝矾土、高岭土和粉煤灰为原料，通过添加碱(碱土)金属在1500℃以下制备莫来石晶须原位强化陶瓷材料，除了发挥莫来石晶须原位强化陶瓷材料的优越性之外，还能降低生产成本，简化制备工艺，拓宽技术的使用领域。该方法利用原位固相反应，在材料体系内部形成莫来石晶须强化相，通过添加剂和温度控制莫来石晶须的生长，使得莫来石晶须形成和生长于材料的烧结同步完成，既简化了工艺又能够保证强化相的均与分布以及与基体材料的良好匹配，因而能获得性能优异的陶瓷材料。

附图说明

图1为实施例1～5制得产品的X射线衍射图谱；

图2为实施例2制得产品的材料断面形貌图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明高掺量粉煤灰陶粒支撑剂的制备方法进行详细描述。

实施例1

一种莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将67wt％高岭土和22wt％铝矾土，9.5wt％钾长石、1.5wt％氧化钙粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为65％铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，按照原料与刚玉球质量比为1:1加入刚玉球，湿法球磨2h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；

3)向所述混合粉料中加入占其质量5％的水并混拌均匀，陈腐1h，再将其置入压力机的模具中，在6MPa压力下成型，脱模后得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，煅烧制度为：以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃；再以7℃/min的升温速率升温至1100℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1380℃；保温60min；随炉冷却；即得原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

本实施例所制得的莫来石晶须强化刚玉陶瓷材料采用阿基米德排水法测得的气孔率1.78％，吸水率0.70％，体积密度2.66kg/m³。抗弯强度按照中华人民共和国国家标准:陶瓷材料抗弯强度试验方法(GB/T4741-1999)测试为176.6±10MPa。

实施例2

一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将40wt％高岭土，45wt％铝矾土，13wt％钾长石、2wt％氧化钡粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为65％铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，按照原料与刚玉球质量比为1:1加入刚玉球，湿法球磨2.5h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；

3)向所述混合原料粉料中加入占其质量10％的水并混拌均匀，陈腐1h，再将其置入橡胶模具中，在50MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，煅烧制度为：以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃；再以10℃/min的升温速率升温至1150℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1450℃；保温60min；随炉冷却；即得原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

本实施例所制备的原位生长莫来石晶须强化刚玉陶瓷的材料采用阿基米德排水法测得气孔率1.36％吸水率0.60％，体积密度2.72kg/m³，抗弯强度按照中华人民共和国国家标准:陶瓷材料抗弯强度试验方法(GB/T4741-1999)测得为335.8±9MPa。

实施例3

一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将49wt％高岭土，41wt％铝矾土，2wt％氧化钡，8％钾长石粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为60％铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，按照原料与刚玉球质量比为1:1加入刚玉球，湿法球磨1.5h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；

3)向所述混合原料粉料中加入占其质量15％的水并混拌均匀，陈腐1h，再将其置入橡胶模具中，在50MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，煅烧制度为：以5℃/min的升温速率从室温升温至600℃；再以10℃/min的升温速率升温至1150℃；然后以10℃/min的升温速率升温至1400℃；保温50min；随炉冷却；即得原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

本实施例所制备的原位生长莫来石晶须强化刚玉陶瓷的材料采用阿基米德排水法测得气孔率1.47％吸水率0.56％，体积密度2.60kg/m³，抗弯强度按照中华人民共和国国家标准:陶瓷材料抗弯强度试验方法(GB/T4741-1999)测得为286.3±8MPa。

实施例4

一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将67wt％高岭土，22wt％铝矾土，1wt％氧化镁，10wt％粉煤灰粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为65％铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，按照原料与刚玉球质量比为1:1加入刚玉球，球磨3h后，得到粒径小于20μm的混合粉料；

3)向所述混合原料粉料中加入占其质量10％的水并混拌均匀，陈腐1h，再将其置入模具中，在6MPa压力下压制成型，脱模后得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，煅烧制度为：以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃；再以10℃/min的升温速率升温至1150℃；然后以15℃/min的升温速率升温至1400℃；保温70min；随炉冷却；即得原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F类II级混凝土粉煤灰。

本实施例所制备的原位生长莫来石晶须强化刚玉陶瓷的材料采用阿基米德排水法测得气孔率1.75％吸水率0.69％，体积密度2.55kg/m³，抗弯强度按照中华人民共和国国家标准:陶瓷材料抗弯强度试验方法(GB/T4741-1999)测得为279.8±7MPa。

实施例5

一种原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量分数，将40wt％高岭土，20wt％铝矾土，30wt％粉煤灰，2wt％氧化镁，8wt％钾长石粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为60％铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中，按照原料与刚玉球质量比为1:1加入刚玉球，球磨3h后，得到粒径小于20μm的混合粉料；

3)向所述混合原料粉料中加入占其质量10％的水并混拌均匀，陈腐1h，再将其置入模具中，在15MPa压力下压制成型，脱模后得到坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，煅烧制度为：以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃；再以10℃/min的升温速率升温至1150℃；然后以15℃/min的升温速率升温至1460℃；然后在400℃出炉于空气中强制冷却；即得原位生长莫来石晶须强化陶瓷材料。

所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F类II级混凝土粉煤灰。

本实施例所制备的原位生长莫来石晶须强化刚玉陶瓷的材料采用阿基米德排水法测得气孔率1.55％吸水率0.61％，体积密度2.65kg/m³，抗弯强度按照中华人民共和国国家标准:陶瓷材料抗弯强度试验方法(GB/T4741-1999)测得为239.8±9MPa。

性能测试：

通过X射线衍射分析实施例1～5制得陶瓷材料的物相组成，测试结果如图1所示。由图可知：材料中含有刚玉、石英和莫来石晶相，形成了复相陶瓷材料。

图2是实施例2获得的试样的断口扫描电子显微照片，由图可见原位生长的莫来石晶须均匀分散在陶瓷材料基体中。

Claims (8)

1.一种莫来石晶须强化陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)按照质量分数，将20～45％的铝矾土粉末、40～68％的高岭土粉末、0～30％粉煤灰、0～13％的钾长石粉末、0～3％的氧化镁粉末、0～4％的氧化钡粉末、0～6％的氧化钙粉末混合均匀，得到原料，其中，所述铝矾土为三氧化二铝含量为50～68％的铝矾土；

2)将所述原料置于球磨机中对其进行球磨，至粒径小于20μm得到混合粉料；

3)向所述混合粉料中加入占其质量5～15％的水，搅拌均匀，陈腐1～2h得到混合料I，然后将混合料I制成坯料；

4)将所述坯料置于加热炉内，以5～15℃/min的速率升温到1350～1500℃，保温40～90min后降温冷却，即得所述莫来石晶须强化陶瓷材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铝矾土粉末、高岭土粉末、钾长石粉末、氧化镁粉末、氧化钡粉末和氧化钙粉末的粒径均小于80μm。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)的升温过程分为三步，第一步以5～10℃/min的速率由室温升温到500～600℃，第二步以6～10℃/min的速率升温到1100～1200℃，第三步以10～15℃/min的速率升温到1350～1500℃。

4.如权利要求1所述的制备方法其特征在于：步骤4)的降温冷却为随炉冷却，或者在800～400℃出炉后于空气中强制冷却。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)制备坯料的方法为等静压成型，单向加压成型和挤压成型。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰为F类II级混凝土粉煤灰。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化镁粉末、氧化钡粉末、氧化钙粉末由金属离子对应盐类物质经加热分解反应获得。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化镁粉末由碳酸镁经加热分解反应获得；所述氧化钡粉末由碳酸钡经加热分解反应获得；所述氧化钙粉末由碳酸钙，硫酸钙或碳酸氢钙经加热分解反应获得。