CN105418054B - 一种特种陶瓷材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型特种陶瓷材料的制备方法，所述新型特种陶瓷材料的制备方法，包括将红色粘土、钠长石、硅灰石、纳米级三氧化二铝和五氧化二铌混合，然后放入球磨机中磨粉，过230目筛，再将助剂和氮化硼送入球磨机中球磨18.5h，再加入氢氧化钾，继续球磨2.5 h，水洗至PH值为7.6，过滤得到粉末等四个步骤。通过优化现有制备方法，选择合适的工艺参数，其制得的新型特种陶瓷材料内部结构均匀、致密，强度高，抗腐蚀能力和抗氧化能力强，同时还具有很好的韧性和硬度，在满足耐高温的前提下，还具有高的高红外反射率，具备优异的隔热性能。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备领域，特别涉及一种新型特种陶瓷材料的制备方法。
背景技术
目前陶瓷材料发展迅速，并且在各个领域应用广泛，如金属材料，绝缘体，管道等等，但是现有的陶瓷存在以下问题：如脆性太大，强度小，耐热能力小等等，并且加工方法成本大，产品效益低，因此需要研究耐磨性好，硬度高，韧性好，耐震动，耐热，耐腐蚀等性能优异的陶瓷材料。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新型特种陶瓷材料的制备方法，通过优化现有制备方法，选择合适的工艺参数，其制得的新型特种陶瓷材料内部结构均匀、致密，强度高，抗腐蚀能力和抗氧化能力强，同时还具有很好的韧性和硬度，在满足耐高温的前提下，还具有高的高红外反射率，具备优异的隔热性能。
本发明采用的技术方案如下：一种新型特种陶瓷材料的制备方法，所述新型特种陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将红色粘土、钠长石、硅灰石、纳米级三氧化二铝和五氧化二铌混合，然后放入球磨机中磨粉，过230目筛，再将助剂和氮化硼送入球磨机中球磨18.5h，再加入氢氧化钾，继续球磨2.5 h，水洗至PH值为7.6，过滤得到粉末；
步骤2、将过滤得到的粉末以氦气作为保护气体，在890℃下煅烧5h，然后空冷至室温，送入球磨机磨粉，过120 目筛，得粉末颗粒A ；
步骤3、将锆酸钠、氧化镍、氧化锌和粉末颗粒A混合并搅拌，加热至980-990℃，并煅烧2 h，球磨粉碎，过80目筛，得到粉末颗粒B ；
步骤4、将粉末颗粒B与去离子水按4：3 的比例混合，再放入球磨机中球磨16-18h，然后造型，在氦气的氛围中，800-900℃温度下煅烧2h，再将温度提高至1280℃，煅烧4.5h，保温1.5h，最后空冷至室温；
其制得的特种陶瓷材料的组分由以下重量份组成：红色粘土45份，钠长石2份，纳米级三氧化二铝6份，氧化镍2份，氧化锌2份，五氧化二铌6份，氮化硼6份，硅灰石6份，锆酸钠3.2份，助剂6.5份。
进一步，所述所述助剂的组分按重量份数计为：纳米碳化硅0.9份、纳米硼纤维0.7份、硅烷偶联剂kh-550 0.65份、聚乙二醇0.36份、去离子水23份，高岭石14份，纳米级二氧化钛6份。
进一步，所述助剂的制备方法为：将高岭石粉碎，过50目筛，得到高岭石粉末，将聚乙二醇加入去离子水中，搅拌均匀，将过筛后的高岭石粉末加入其中，搅拌20min，加入硅烷偶联剂kh-550，搅拌20min，得到液体A，然后将纳米级二氧化钛、纳米碳化硅、纳米硼纤维一起加入到液体A中，搅拌20min，过滤干燥，粉碎后过120目筛，在氦气氛围下，加热至830℃下煅烧3h后，空冷至室温，然后粉碎，过50目筛，得到助剂。
在本发明中，对所添加的原料的构成和作用进行说明：红色粘土具有很好的韧性，常温遇水可塑，微干可雕，半干可压、全干可磨，红色粘土烧至900℃可成陶器能装水，烧至1230℃则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀，加入到陶瓷中，还能增加陶瓷的强度，提高耐摩擦的性能，并且增加其使用寿命；钠长石在陶瓷中作为一种溶剂原料，主要起瓷化作用，即利用钠的高温易熔性，降低坯件烧成温度，前同事起到稳定坯件的作用；氧化锌作为一种重要的陶瓷化工熔剂原料，具有较强的助熔作用，能够降低陶瓷的膨胀系数，提高其热稳定性，可以使陶瓷的机械和电性能得到改善；五氧化二铌在陶瓷中作为一种改性添加剂；氮化硼能提高陶瓷的耐热冲击性，在急冷急热情况下，降低陶瓷破裂的可能性，提高陶瓷的热稳定性，由于氮化硼具有类似于石墨的层状晶体结构，也就具有了石墨相似的物理化学性能，使陶瓷在电绝缘、热膨胀系数以及和大多数金属不浸润等方面具备良好的性能；氧化镍能够提高陶瓷的耐腐蚀性能。
在本发明中，硅灰石的作用主要体现在以下几个方面：一是降低烧成温度，缩短烧成周期，传统的硅酸盐陶瓷主要使用石英、长石、高岭石、滑石、叶蜡石等Si－Al体系原料，高温烧成生成的结晶物相主要是莫来石，加入硅灰石，则可构成Si－Al－Ca低共熔体系，生成物相主要是钙长石，在较低温度下就可实现烧结，这其中，硅灰石主要发挥助熔和降低烧成温度的作用。同时，由于硅灰石晶形为针柱状，可为坯体中的水分快速逸散提供通道，从而加快干燥速率，缩短干燥周期，提高生产效率；二是减少烧成收缩和制品缺陷，由于硅灰石本身不含水和碳酸根等任何挥发份，烧成过程中不产生气体，大大降低了陶瓷烧成体产生气孔缺陷的可能性，可明显提高陶瓷的质量；三是降低坯体的吸湿膨胀和烧成过程中的热膨胀，硅灰石本身不吸水，可避免陶瓷坯体的吸湿膨胀，同时 ，硅灰石的热膨胀系数小且呈线性膨胀，可降低烧成过程中坯体的热膨胀，避免产生膨胀裂纹；四是可以提高制品的机械强度，硅灰石针状晶体杂乱无章的排列形成交织结构，被部分熔融产生的熔体所固结，可以增强烧结体的结构稳定性和机械强度。
进一步，所述纳米碳化硅的粒径为30-50nm，所述纳米级二氧化钛的粒径为20-40nm，所述纳米硼纤维的粒径为60-80nm，所述纳米级三氧化二铝的粒径为50-70nm。
为了解决在制备过程中氧化铝和碳化硅复合材料的界面结合问题，采用纳米级三氧化二铝和碳化硅，实现了陶瓷材料在无压烧结的条件下达到理论密度，同时降低了烧结温度，使陶瓷材料稳定性更好，成型更好；陶瓷纤维中加入纳米级二氧化钛可以在一定程度上调整陶瓷内部结构、提高其使用温度，二氧化钛在陶瓷中能使陶瓷析出锐钛型二氧化钛晶相和少量金红石型二氧化钛，而抑制其他相析出，如钙硅酸盐晶相，析出的晶相对近红外线的反射比较大，提高了陶瓷对热辐射的反射率，确保了陶瓷具有良好的隔热性能。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过优化现有制备方法，选择合适的工艺参数，其制得的新型特种陶瓷材料内部结构均匀、致密，强度高，抗腐蚀能力和抗氧化能力强，同时还具有很好的韧性和硬度，在满足耐高温的前提下，还具有高的高红外反射率，具备优异的隔热性能。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作详细的说明。
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种新型特种陶瓷材料的制备方法，所述新型特种陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将红色粘土、钠长石、硅灰石、纳米级三氧化二铝和五氧化二铌混合，然后放入球磨机中磨粉，过230目筛，再将助剂和氮化硼送入球磨机中球磨18.5h，再加入氢氧化钾，继续球磨2.5 h，水洗至PH值为7.6，过滤得到粉末；
步骤2、将过滤得到的粉末以氦气作为保护气体，在890℃下煅烧5h，然后空冷至室温，送入球磨机磨粉，过120 目筛，得粉末颗粒A ；
步骤3、将锆酸钠、氧化镍、氧化锌和粉末颗粒A混合并搅拌，加热至980-990℃，并煅烧2 h，球磨粉碎，过80目筛，得到粉末颗粒B ；
步骤4、将粉末颗粒B与去离子水按4：3 的比例混合，再放入球磨机中球磨16-18h，然后造型，在氦气的氛围中，800-900℃温度下煅烧2h，再将温度提高至1280℃，煅烧4.5h，保温1.5h，最后空冷至室温；
其制得的特种陶瓷材料的组分由以下重量份组成：红色粘土45份，钠长石2份，纳米级三氧化二铝6份，氧化镍2份，氧化锌2份，五氧化二铌6份，氮化硼6份，硅灰石6份，锆酸钠3.2份，助剂6.5份；所述所述助剂的组分按重量份数计为：纳米碳化硅0.9份、纳米硼纤维0.7份、硅烷偶联剂kh-550 0.65份、聚乙二醇0.36份、去离子水23份，高岭石14份，纳米级二氧化钛6份。
在本实施例中，所述助剂的制备方法为：将高岭石粉碎，过50目筛，得到高岭石粉末，将聚乙二醇加入去离子水中，搅拌均匀，将过筛后的高岭石粉末加入其中，搅拌20min，加入硅烷偶联剂kh-550，搅拌20min，得到液体A，然后将纳米级二氧化钛、纳米碳化硅、纳米硼纤维一起加入到液体A中，搅拌20min，过滤干燥，粉碎后过120目筛，在氦气氛围下，加热至830℃下煅烧3h后，空冷至室温，然后粉碎，过50目筛，得到助剂。
在本实施例中，所述纳米碳化硅的粒径为30-50nm（最佳粒径为40nm，当然也可以选择30nm或者50nm），所述纳米级二氧化钛的粒径为20-40nm（最佳粒径为40nm，当然也可以选择30nm或者50nm），所述纳米硼纤维的粒径为60-80nm（最佳粒径为40nm，当然也可以选择30nm或者50nm），所述纳米级三氧化二铝的粒径为50-70nm（最佳粒径为40nm，当然也可以选择30nm或者50nm）。
通过上述制备方法得到的新型特种陶瓷材料经万能材料试验机测试得到，其抗弯强度可达到990MPa，断裂韧性可达到13 MPa/m，维氏硬度可达到95 GPa，强度高，韧性好，具备优异的隔热性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种特种陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述特种陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将红色粘土、钠长石、硅灰石、纳米级三氧化二铝和五氧化二铌混合，然后放入球磨机中磨粉，过230目筛，再将助剂和氮化硼送入球磨机中球磨18.5h，再加入氢氧化钾，继续球磨2.5 h，水洗至PH值为7.6，过滤得到粉末；
步骤2、将过滤得到的粉末以氦气作为保护气体，在890℃下煅烧5h，然后空冷至室温，送入球磨机磨粉，过120 目筛，得粉末颗粒A ；
步骤3、将锆酸钠、氧化镍、氧化锌和粉末颗粒A混合并搅拌，加热至980-990℃，并煅烧2h，球磨粉碎，过80目筛，得到粉末颗粒B；
步骤4、将粉末颗粒B与去离子水按4：3 的比例混合，再放入球磨机中球磨16-18h，然后造型，在氦气的氛围中，800-900℃温度下煅烧2h，再将温度提高至1280℃，煅烧4.5h，保温1.5h，最后空冷至室温；
其制得的特种陶瓷材料的组分由以下重量份组成：红色粘土45份，钠长石2份，纳米级三氧化二铝6份，氧化镍2份，氧化锌2份，五氧化二铌6份，氮化硼6份，硅灰石6份，锆酸钠3.2份，助剂6.5份，所述助剂的组分按重量份数计为：纳米碳化硅0.9份、纳米硼纤维0.7份、硅烷偶联剂kh-550 0.65份、聚乙二醇0.36份、去离子水23份，高岭石14份，纳米级二氧化钛6份。
2.如权利要求1所述的特种陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述助剂的制备方法为：将高岭石粉碎，过50目筛，得到高岭石粉末，将聚乙二醇加入去离子水中，搅拌均匀，将过筛后的高岭石粉末加入其中，搅拌20min，加入硅烷偶联剂kh-550，搅拌20min，得到液体A，然后将纳米级二氧化钛、纳米碳化硅、纳米硼纤维一起加入到液体A中，搅拌20min，过滤干燥，粉碎后过120目筛，在氦气氛围下，加热至830℃下煅烧3h后，空冷至室温，然后粉碎，过50目筛，得到助剂。
3.如权利要求2所述的特种陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述纳米碳化硅的粒径为30-50nm，所述纳米级二氧化钛的粒径为20-40nm，所述纳米硼纤维的粒径为60-80nm，所述纳米级三氧化二铝的粒径为50-70nm。
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