CN106380080B - 一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法，其中，可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为A0.5Mg3(Si3Al)O10F2 5‑30％；KMg3(Si3Al)O10F2 35‑65％；SiO2‑B2O‑Al2O3‑CaO系玻璃粉20‑45％，其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。可加工陶瓷的制备方法为将原料混匀、砂磨，得到第一粉体；将第一粉体干燥，采用固相烧结法，在900‑1050℃条件下煅烧，得到复合原料；将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，得到第二粉体；将第二粉体经造粒、压制成型、干燥，在1115‑1190℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷。所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于100MPa。本发明制备的可加工陶瓷在不改变陶瓷原有的可加工性能的前提下，提高了可加工陶瓷的强度。

Description

一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷，特别是涉及一种高强度可加工陶瓷及其制备方法。
背景技术
可加工陶瓷(又称为可加工玻璃陶瓷、可加工微晶玻璃等)，由于其兼具陶瓷的绝缘、耐高温等特性以及金属的可加工性，日益受到研究者们的高度重视。但是，由于可加工陶瓷的可加工性能的提高，其强度确收到了影响，从而影响了可加工陶瓷的应用领域。
现有技术中提出，在氟金云母玻璃陶瓷中，加入碱土金属云母，有利于增加陶瓷的强度，又不影响云母玻璃陶瓷的可加工性能。在现有的氟金云母中添加碱土金属云母(A0.5Mg3(Si3Al)O10F2，其中，A为碱土金属中的一种或两种以上的组合)，一方面，用部分碱土金属离子(Ba2+，Sr2+，Ca2+等)替代常用的碱金属离子(K+或Na+)作为云母晶体层间结合离子，由于Ba2+，Sr2+，Ca2+等离子的电荷半径比(q/r)大于K+或Na+离子，改变了氟金云母的单一的层状结构，因而具有更高的键合强度，在不改变原有云母玻璃陶瓷的可加工性能的前提下，增强了可加工陶瓷的弯曲强度。
虽然，氟金云母玻璃陶瓷中加入碱土金属云母的理论已经提出，但是，缺乏具体的制备方法。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法，所要解决的技术问题是提供一种弯曲强度大的可加工陶瓷的制备方法及其制得的陶瓷，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，包括，
步骤一，将原料混匀、砂磨，得到第一粉体，所述的原料为K2SiF6、ASiF6、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，或者，所述的原料为K2SiF6、AF2、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，所述的A为碱土金属，以摩尔比计，(K2SiF6+ASiF6)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，或者，以摩尔比值计，(K2SiF6+AF2+SiO2)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，其中，K2SiF6+AF2+SiO2中，AF2∶SiO2为3∶1；
步骤二，将第一粉体干燥，在900-1050℃条件下煅烧，得到复合原料，所述的复合原料为KMg3(Si3Al)O10F2和A0.5Mg3(Si3Al)O10F2；
步骤三，将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，得到第二粉体；
步骤四，将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1115-1190℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于100MPa。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的ASiF6为BaSiF6和/或CaSiF6的混合物；或者，所述的AF2为BaF2、SrF2或CaF2中的一种或两种以上的混合物。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的含有Al3+的化合物为Al(OH)3、Al2O3或Al2(CO3)3，或者，所述的含有Mg2+的化合物MgCO3、MgO、或Mg(OH)2。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的含有Al3+的化合物为Al(OH)3，或者，所述的含有Mg2+的化合物MgCO3。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的SiO2为SiO2试剂、石英砂或硅微粉。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的MgCO3为轻质碳酸镁或重质碳酸镁。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的第一粉体的粒径为1-5μm；所述的第二粉体的粒径为5-10μm。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述步骤二中的煅烧为梯度煅烧，分为两个阶段，第一阶段的煅烧温度为900-920℃，时间为30min-60min，此阶段用于晶核的形成，确保单一云母相的形成；第二阶段的煅烧温度为1000-1050℃，时间为2h-8h，此阶段用于晶核的生长及晶型的稳定。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种离子增强可加工陶瓷，根据上述的可加工陶瓷的制备方法制得，所述的可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为，
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种可加工陶瓷，其中所述的A为Ba-Ca或Ba-Sr-Ca。
优选的，前述的一种可加工陶瓷，其中所述的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中，SiO2的质量百分含量为51-57％；B2O的质量百分含量为8-10％；Al2O3的质量百分含量为12-15％；CaO的质量百分含量为18-24％。
借由上述技术方案，本发明一种离子增强可加工陶瓷及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明提供了一种采用固相烧结法制备高强度的可加工云母玻璃陶瓷的方法。
固相烧结法是堆积粉末或样品素坯在高温条件下通过物质相互扩散，由微观离散形成连续的固态结构，自由能下降，样品强度提高的加工方法，在固相烧结的整个过程中，包含了表面扩散、晶界扩散、蒸发凝聚、晶界迁移、晶界应力、颗粒重排等多种作用力。因此，需严格控制烧结原料的添加比例、原料的纯度、粒度、球度和烧结的温度等具体条件，而这些条件不是通过简单的试验筛选即可获得的。
本发明提供了一种采用固相烧结法制备高强度可加工云母玻璃陶瓷的方法，通过严格控制原料及加工步骤，获得了弯曲强度大于100MPa的可加工陶瓷，提高了云母玻璃可加工陶瓷的强度。
2、本发明提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度大。
本发明将现有的提高可加工陶瓷强度的理论与固相合成法相结合，制备得到的可加工陶瓷的弯曲强度增大，且其可加工性能并未受损，从而更加适用于工业生产和应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种可加工陶瓷及其制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
本实施例提供一种离子增强可加工陶瓷的制备方法。
步骤一，将原料混匀、砂磨，得到第一粉体，
所述的原料为K2SiF6、ASiF6、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，或者，所述的原料为K2SiF6、AF2、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，所述的A为碱土金属，以摩尔比计，(K2SiF6+ASiF6)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，或者，以摩尔比值计，(K2SiF6+AF2+SiO2)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，其中，K2SiF6+AF2+SiO2中，AF2∶SiO2为3∶1；
步骤二，将第一粉体干燥，在1050℃条件下煅烧，得到复合原料，所述的复合原料为KMg3(Si3Al)O10F2和A0.5Mg3(Si3Al)O10F2；
步骤三，将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，得到第二粉体；
步骤四，将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1190℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于100MPa。本实施例提供了一种采用固相烧结法制备高强度可加工云母玻璃陶瓷的方法。本实施例中，第一粉体的煅烧温度不宜大于1050℃。此煅烧过程，原料发生化学反应，生成云母复合物，因此需严格控制温度，而不至于破坏云母的层状结构和浪费能源资源；第二粉体的煅烧温度不宜大于1190℃，此煅烧过程，只是化合物之间物理上的排列组合，并未发生化学反应，因此，也应该严格控制反应温度，不至于各化合物间发生化学反应。
实施例2
本实施例提供一种离子增强可加工陶瓷的制备方法。
步骤一，将原料混匀、砂磨，得到第一粉体，
所述的原料为K2SiF6、ASiF6、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，或者，所述的原料为K2SiF6、AF2、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，所述的A为碱土金属，以摩尔比计，(K2SiF6+ASiF6)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，或者，以摩尔比值计，(K2SiF6+AF2+SiO2)∶SiO2∶含有Al3+的化合物∶含有Mg2+的化合物为1∶5∶2∶6，其中，K2SiF6+AF2+SiO2中，AF2∶SiO2为3∶1；
步骤二，将第一粉体干燥，在900℃条件下煅烧，得到复合原料，所述的复合原料为KMg3(Si3Al)O10F2和A0.5Mg3(Si3Al)O10F2；
步骤三，将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，得到第二粉体；
步骤四，将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1115℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于100MPa。
本实施例提供了一种采用固相烧结法制备高强度可加工云母玻璃陶瓷的方法。本实施例中，第一粉体的煅烧温度不宜小于1050℃。此煅烧过程，原料发生化学反应，生成云母复合物，因此需严格控制温度，使化学反应完全；第二粉体的煅烧温度不宜小于1115℃，此煅烧过程，只是化合物之间物理上的排列组合，并未发生化学反应，因此，也应该严格控制反应温度，使各晶体间形成稳定的层状结构，提高可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度。
实施例3
本实施例提供一种离子增强可加工陶瓷的制备方法。
将原料混匀、经砂磨机湿法磨细，得到第一粉体。本实施例中的原料为K2SiF6、BaSiF6、CaSiF6、Al(OH)3、SiO2、MgCO3，原料中各物质的摩尔比为：(K2SiF6+BaSiF6+CaSiF6)∶Al(OH)3∶SiO2∶MgCO3＝1∶2∶5∶6，其中，SiO2为SiO2试剂、MgCO3为轻质碳酸镁，各原料按比例混合均匀后，用砂磨机进行砂磨，砂磨后，筛选粒径为1-5μm的粉体作为第一粉体。
将第一粉体干燥，采用固相烧结法，在900℃条件下煅烧，得到复合原料。
将上述复合原料与玻璃粉混匀、经砂磨机湿法磨细，筛选粒径为5-10μm的粉体作为第二粉体；
将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1115℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷。
与上一实施例相比，本实施例中进一步限定了所用的各原料的种类和配比，以及两种粉体的粒径。
采用固相烧结法制备陶瓷，由于其中涉及多种作用力的变化，因此，要制备所需的陶瓷，需严格控制各原料的比例，原料的纯度、粒径、球度、以及烧结过程的温度等因素，进一步提高了所制备的可加工云母玻璃陶瓷的强度。
经检测，本实施例制备的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为122MPa。
实施例4
本实施例提供一种离子增强可加工陶瓷的制备方法。
将原料混匀、砂磨，得到第一粉体。本实施例中的原料为K2SiF6、BaF2、SrF2、CaF2、Al(OH)3、SiO2、MgCO3，原料中各物质的摩尔比为：(K2SiF6+BaF2+SrF2+CaF2+SiO2)∶Al(OH)3∶SiO2∶MgCO3＝1∶2∶5∶6，其中，K2SiF6+BaF2+SrF2+CaF2+SiO2中，(BaF2+SrF2+CaF2)∶SiO2＝3∶1；SiO2为石英砂、MgCO3为重质碳酸镁，各原料按比例混合均匀后，用砂磨机进行砂磨，砂磨后，筛选粒径为1-5μm的粉体作为第一粉体。
将第一粉体干燥，采用固相烧结法，在1050℃条件下煅烧，得到复合原料。
将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，筛选粒径为5-10μm的粉体作为第二粉体；
将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1190℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷。
与上一实施例相比，提供了另一种采用碱土金属云母替代氟金云母的方案，由原来的两种碱土金属增加到三种，使得制得的云母中离子的各向异性增强，进一步增强了所制得的可加工云母玻璃陶瓷的强度。
经检测，本实施例制备的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为125MPa。
类似的，本实施例中的石英砂可替换为硅微粉；Al(OH)3可替换为Al2O3或Al2(CO3)3；MgCO3可替换为MgO、或Mg(OH)2。
实施例5
本实施例提供了一种高强度可加工云母玻璃陶瓷，所述的云母玻璃陶瓷的各组分及其质量百分含量为：
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
本实施例提供了一种新的可加工云母玻璃陶瓷，在氟金云母中添加质量百分含量为5％碱土金属云母，一方面，用部分碱土金属离子(Ba2+，Sr2+，Ca2+等)替代常用的碱金属离子(K+或Na+)作为云母晶体层间结合离子，由于Ba2+，Sr2+，Ca2+等离子的电荷半径比(q/r)大于K+或Na+离子，改变了氟金云母的单一的层状结构，因而具有更高的键合强度，在不改变原有云母玻璃陶瓷的可加工性能的前提下，增强了可加工陶瓷的弯曲强度。
本发明提供的一种高强度可加工云母玻璃陶瓷中的碱土金属云母的质量百分含量不宜小于5％，因为，如果再减少碱土金属云母的百分含量，碱土金属离子在云母层之间不能完全分布，使得制备的玻璃陶瓷的强度不均一，不能达到均匀增加玻璃陶瓷的强度的目的。
实施例6
本实施例提供了一种高强度可加工云母玻璃陶瓷，所述的云母玻璃陶瓷的各组分及其质量百分含量为：
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
本实施例中碱土金属的添加量为30％。与实施例5相比，本实施例提高了可加工云母玻璃陶瓷中碱土金属云母的添加量，同时，减少了陶瓷中氟金云母的百分含量，进一步改变了氟金云母的单一的层状结构，增强的可加工陶瓷的弯曲强度。
本发明提供的一种高强度可加工云母玻璃陶瓷中的碱土金属云母的质量百分含量不宜大于30％，因为，碱土金属离子的加入，增加了云母层状结构中离子间的各向异性，进而增加了玻璃陶瓷的强度，如果碱土金属离子的含量过大，则会使得云母的层状结构丧失原有的可加工性能。
实施例7
本实施例提供了一种高强度可加工云母玻璃陶瓷，所述的云母玻璃陶瓷的各组分及其质量百分含量为：
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
经检测，本实施例制备的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为100MPa。
实施例8
本实施例提供了一种高强度可加工云母玻璃陶瓷，所述的云母玻璃陶瓷的各组分及其质量百分含量为：
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
经检测，本实施例制备的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为125MPa。
实施例9
与实施例6相比，本实施例将A0.5Mg3(Si3Al)O10F2中的A具体限定为Ba-Ca复合物。
同族的碱土金属中，原子质量越大，所对应的离子的电荷半径越大，作为云母层间的结合离子产生的结合力越大，最终形成的可加工云母玻璃陶瓷的强度越大。
本实施例采用Ba2+、Ca2+两种碱土金属离子来代替氟金云母中的K+，进一步改变了原有的单一的云母的层状结构，使云母间的结合力更加复杂，进一步增加了可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度。经检测，本实施例提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为120MPa。
类似的，A0.5Mg3(Si3Al)O10F2中的A可以是Ba或Ca。
实施例10
与实施例7相比，本实施例将A0.5Mg3(Si3Al)O10F2中的A具体限定为Ba-Sr-Ca复合物。
同族的碱土金属中，原子质量越大，所对应的离子的电荷半径越大，作为云母层间的结合离子产生的结合力越大，最终形成的可加工云母玻璃陶瓷的强度越大。
本实施例采用Ba2+、Sr2+、Ca2+三种碱土金属离子来代替氟金云母中的K+，进一步改变了原有的单一的云母的层状结构，使云母间的结合力更加复杂，增加了可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度。经检测，本实施例提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为124MPa。
类似的A0.5Mg3(Si3Al)O10F2中的A可以是Sr。
实施例11
与实施例8相比，本实施例中的所述的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中，SiO2的质量百分含量为51％；B2O的质量百分含量为10％；Al2O3的质量百分含量为15％；CaO的质量百分含量为24％。
本实施例进一步限定了可加工陶瓷中SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中各组分的百分含量。
经检测，本实施例提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为125MPa。
实施例12
与实施例8相比，本实施例中的所述的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中，SiO2的质量百分含量为57％；B2O的质量百分含量为8％；Al2O3的质量百分含量为12％；CaO的质量百分含量为22％。
本实施例进一步限定了可加工陶瓷中SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中各组分的百分含量。
经检测，本实施例提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为125MPa。
实施例13
与实施例8相比，本实施例中的所述的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中，SiO2的质量百分含量为57％；B2O的质量百分含量为10％；Al2O3的质量百分含量为15％；CaO的质量百分含量为18％。
本实施例进一步限定了可加工陶瓷中SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中各组分的百分含量。
经检测，本实施例提供的可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度为125MPa。
本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。例如，“A0.5Mg3(Si3Al)O10F2的质量百分含量为5-30％”，此数值范围包括5-30之间所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值(例如：15、25)组成的范围值(15-25)；本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：包括，
步骤一，将原料混匀、砂磨，得到第一粉体，
所述的原料为K2SiF6、ASiF6、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，或者，所述的原料为K2SiF6、AF2、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，所述的A为除Mg之外的碱土金属，
以摩尔比计，(K2SiF6+ASiF6):SiO2:含有Al3+的化合物:含有Mg2+的化合物为1:5:2:6，或者，以摩尔比值计，(K2SiF6+AF2+SiO2):SiO2:含有Al3+的化合物:含有Mg2+的化合物为1:5:2:6，其中，K2SiF6+AF2+SiO2中，AF2:SiO2为3:1；
步骤二，将第一粉体干燥，在900-1050℃条件下煅烧，得到复合原料，所述的复合原料为KMg3(Si3Al)O10F2和A0.5Mg3(Si3Al)O10F2；
步骤三，将上述复合原料与玻璃粉混匀、砂磨，得到第二粉体；
步骤四，将第二粉体经造粒、压制成型、干燥、在1115-1190℃温度条件下煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于100MPa。
2.根据权利要求1所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的ASiF6为BaSiF6和/或CaSiF6；或者，
所述的AF2为BaF2、SrF2或CaF2中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的含有Al3+的化合物为Al(OH)3、Al2O3或Al2(CO3)3，或者，
所述的含有Mg2+的化合物MgCO3、MgO、或Mg(OH)2。
4.根据权利要求3所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的含有Al3+的化合物为Al(OH)3，或者，
所述的含有Mg2+的化合物MgCO3。
5.根据权利要求1所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的SiO2为SiO2试剂、石英砂或硅微粉。
6.根据权利要求3或4所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的MgCO3为轻质碳酸镁或重质碳酸镁。
7.根据权利要求1所述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的第一粉体的粒径为1-5μm；
所述的第二粉体的粒径为5-10μm。
8.一种可加工陶瓷，其特征在于：
根据权利要求1-7中任一项所述的离子增强可加工陶瓷的制备方法制得，所述的可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为，
其中，所述的A为碱土金属中的一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求8所述的一种离子增强可加工陶瓷，其特征在于：
所述的A为Ba-Ca或Ba-Sr-Ca。
10.根据权利要求8所述的一种离子增强可加工陶瓷，其特征在于：
所述的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉中，
SiO2的质量百分含量为51-57％；
B2O的质量百分含量为8-10％；
Al2O3的质量百分含量为12-15％；
CaO的质量百分含量为18-24％。
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