CN106430980B - 一种颗粒增强可加工陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种颗粒增强可加工陶瓷及其制备方法，可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为ZrO2 5‑25％；KMg3(Si3Al)O10F255‑75％；SiO2‑B2O‑Al2O3‑CaO系玻璃粉20‑25％。可加工陶瓷的制备方法为将K2SiF6、Al(OH)3、SiO2、MgCO3按摩尔比为1∶2∶5∶6的比例混匀，砂磨，得第一粉体，采用固相烧结法将所述的第一粉体烧结，制得氟金云母原料；以质量百分含量计，将5‑25％ZrO2、55‑75％氟金云母原料、20‑25％SiO2‑B2O‑Al2O3‑CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体；将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，得到可加工陶瓷，所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。本发明提供的可加工陶瓷及其制备方法，在不改变陶瓷原有的可加工性能的前提下，提高了陶瓷的弯曲强度，从而更加适于实际生产和应用。

Description

一种颗粒增强可加工陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可加工陶瓷，特别是涉及一种颗粒增强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含有锆的化合物，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加入了纳米四方ZrO2晶体，用纳米四方ZrO2晶体所特有的晶体形状及其与氟金云母晶体之间的作用力，使纳米四方ZrO2晶体均匀的分布在氟金云母晶粒边界，形成钉扎效应，提高了可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度。
虽然，在现有的在氟金云母玻璃陶瓷中加入含有锆的化合物的理论已经提出，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，提供一种颗粒增强可加工陶瓷及其制备方法，所要解决的技术问题是结合固相烧结法，在氟金云母玻璃陶瓷中加入锆的化合物，提高氟金云母可加工玻璃陶瓷的弯曲强度，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。
根据本发明提出的一种颗粒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、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，以摩尔比计，K2SiF6:SiO2:含有Al3+的化合物:含有Mg2+的化合物为1:5:2:6；步骤二，将第一粉体干燥，煅烧，得到氟金云母原料；步骤三，将5-25％的含有Zr4+的化合物、55-75％氟金云母原料、20-25％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体，所述的含有Zr4+的化合物为锆的氧化物、锆的氢氧化物或锆的无机盐；步骤四，将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，得到可加工陶瓷，所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。
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，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的锆的氧化物为ZrO2，所述的锆的氢氧化物为氢氧化锆，所述的锆的无机盐为氧氯化锆、四氯化锆或八水氧氯化锆；所述的SiO2为SiO2试剂、石英砂或硅微粉；所述的MgCO3为轻质碳酸镁或重质碳酸镁。
优选的，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的ZrO2为ZrO2粉体。
优选的，前述的一种颗粒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，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的砂磨为湿法砂磨。
优选的，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的锆的无机盐在造粒过程以溶液状态存在，在粉体造粒过程中过饱和析出，均匀分布于粉体中，所述的造粒的温度为200-280℃。
优选的，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述的步骤二中煅烧的温度为900-1050℃；步骤四中煅烧的温度为680-1210℃。
优选的，前述的一种离子增强可加工陶瓷的制备方法，其中所述步骤四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680-780℃，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1130-1210℃，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。
根据本发明提出的一种颗粒增强可加工陶瓷，所述的颗粒增强可加工陶瓷由上述方法制备得到，所述的颗粒增强可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为，
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，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷，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％。
优选的，前述的一种颗粒增强可加工陶瓷，其中所述的可加工陶瓷的微观结构为ZrO2均匀分布在云母晶粒边界，形成钉扎效应。
借由上述技术方案，本发明一种颗粒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颗粒增强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颗粒增强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，在煅烧致密化过程中，通过分解作用，形成ZrO2微颗粒，并均匀的钉扎在氟金云母晶粒边界，将纳米四方ZrO2晶体与具有六边结构的氟金云母晶体制成具有钉扎效应的氟金云母陶瓷，获得了弯曲强度大于120MPa的可加工陶瓷，提高了云母玻璃可加工陶瓷的强度。
2、本发明提供了一种可加工性能好且弯曲强度大的可加工云母玻璃陶瓷。
本发明在现有的氟金云母中加入了纳米四方ZrO2晶体，使纳米四方ZrO2晶体均匀的分布在氟金云母晶粒边界，利用纳米四方ZrO2晶体所特有的晶形及其与氟金云母晶体之间的作用力，形成钉扎效应，提高了可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度，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颗粒增强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
本实施例提供一种颗粒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、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，以摩尔比计，K2SiF6:SiO2:含有Al3+的化合物:含有Mg2+的化合物为1:5:2:6；
步骤二，将第一粉体干燥，煅烧，得到氟金云母原料；
步骤三，将25％的含有Zr4+的化合物、55％氟金云母原料、20％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体，所述的含有Zr4+的化合物为锆的氧化物；
步骤四，将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。本实施例提供了一种采用固相烧结法制备颗粒增强可加工云母玻璃陶瓷的方法。本实施例中所用的原料均为工业级原料。
采用固相烧结法制备陶瓷的过程中，由于发生晶体间多种作用力的变化，因此，需严格控制原料的添加比例、原料的纯度、粒度、球度和烧结的温度等具体条件。本实施例采用固相烧结法，将25％的含有Zr4+的化合物、55％氟金云母原料、20％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉制备成了一种可加工玻璃陶瓷。
在煅烧致密化过程中，有Zr4+的化合物为锆的氧化物、锆的氢氧化物或锆的无机盐，通过分解作用，形成ZrO2微颗粒，并均匀的钉扎在氟金云母晶粒边界，将纳米四方ZrO2晶体与具有六边结构的氟金云母晶体制成具有钉扎效应的氟金云母陶瓷，获得了弯曲强度大于120MPa的可加工陶瓷，提高了云母玻璃可加工陶瓷的强度。
类似的，第二粉体中，含有Zr4+的化合物的质量百分含量为5％，氟金云母原料的质量百分含量为75％，SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉质量百分含量为20％；或者，含有Zr4+的化合物的质量百分含量为20％，氟金云母原料的质量百分含量为55％，SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉质量百分含量为25％。
类似的，含有Zr4+的化合物还可以是锆的氢氧化物或锆的无机盐。
实施例2
本实施例提供一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法。
与实施例1相比，本实施例中的含有Zr4+的氧化物为氧化锆。
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。固相烧结法中，各原料的选择最烧结后产品的品质影响极大，因此，需严格控制原料的品质及原料的配比，这样才能产生晶体结构稳定、层状结构稳定的云母玻璃陶瓷，发挥其特有的可加工性和弯曲强度，不受杂质的干扰。
本发明主要利用纳米四方ZrO2晶体与具有六边结构的氟金云母晶体制成具有钉扎效应的氟金云母陶瓷，来获得弯曲强度大的可加工云母玻璃陶瓷。直接加入氧化锆，在烧结过程中没有多余杂质生成，有利于晶体的形成以及各晶体之间的规则排列。类似的，SiO2还可以是石英砂或硅微粉，MgCO3还可以为重质碳酸镁。
实施例3
本实施例提供一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法。
与实施例1相比，本实施例中的含有Zr4+的氧化物为四氯化锆。
第二粉体造粒过程中，是以溶液状态与浆料混合，并在粉体造粒过程中四氯化锆过饱和析出，实现在混合料中的均匀分布。采用四氯化锆为原料，在煅烧过程中，由于高温条件，四氯化锆中的氯以氯气的形式排出，不影响晶体的形成以及各晶体之间的规则排列。
类似的，四氯化锆可替换为氧氯化锆、八水氧氯化锆或氢氧化锆。
实施例4
进一步的，本实施例中的第一粉体的粒径为1-5μm，第二粉体的粒径为5-10μm。
与上述实施例相比，本实施例中进一步限定了砂磨后第一粉体和第二粉体的粒径。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粒径、球度等因素，粒径的大小和均匀程度影响烧结过程中各粉粒受热及受力的均匀程度，因此，需严格控制粉体的粒径，使各粉体中的晶体受热均匀，形成稳定的钉扎结构，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132MPa。
实施例5
本实施例提供一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法。
将K2SiF6、Al(OH)3、SiO2、MgCO3按摩尔比为1:2:5:6的比例混匀，其中，SiO2为SiO2试剂，MgCO3为轻质碳酸镁，砂磨，得第一粉体，第一粉体的粒径为1-5μm，将所述的第一粉体烧结，所述的烧结的温度为1050℃；制得氟金云母原料；
以质量百分含量计，将25％ZrO2粉体、55％氟金云母原料、20％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体，第二粉体的粒径为5-10μm；将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，所述的煅烧的温度1210℃，得到可加工陶瓷，所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。
与上述实施例相比，本实施例进一步限定了烧结和煅烧的温度。固相烧结法中，烧结温度是十分重要的步骤之一，因此，需严格控制烧结的温度，以形成所需的晶体结构和不同晶体间的排列模式，最终使制得的陶瓷同时具有可加工性能和更高的弯曲强度。
本发明的烧结温度不宜高于1050℃，煅烧温度不宜高于1210℃，否则，容易破坏晶型，并浪费能源资源。
实施例6
本实施例提供一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法。
将K2SiF6、Al(OH)3、SiO2、MgCO3按摩尔比为1:2:5:6的比例混匀，其中，SiO2为SiO2试剂，MgCO3为轻质碳酸镁，砂磨，得第一粉体，第一粉体的粒径为1-5μm，将所述的第一粉体烧结，所述的烧结的温度为900℃；制得氟金云母原料；
以质量百分含量计，将25％ZrO2粉体、55％氟金云母原料、20％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体，第二粉体的粒径为5-10μm；将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，所述的煅烧的温度为680℃，得到可加工陶瓷，所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。
本发明的烧结温度不宜低于900℃，否则，化学反应不彻底，生成的云母质地不均匀，不利于后续陶瓷的制备；煅烧温度不宜低于680℃，否则，各晶体间的排列不充分，形成的钉扎结构不均匀，影响陶瓷的可加工性能和弯曲强度。
实施例7
本实施例提供了一种离子增强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：
本实施例提供了一种新的可加工云母玻璃陶瓷，所述的可加工云母玻璃陶瓷的中含有质量百分含量为5％的ZrO2、75％的KMg3(Si3Al)O10F2和20％的SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉，即在原有的氟金云母玻璃陶瓷中加入了5％的ZrO2。由于ZrO2晶体特有的四方结构在氟金云母的六方晶体中形成钉扎效应，此种效应不改变氟金云母晶体原有的六方结构，也不改变其原有的层状结构，因此不改变氟金云母玻璃原有的可加工性能，且，ZrO2四方晶体以类似钉扎的形式均匀分布于晶体的空隙中，填补了氟金云母六方晶体的空隙，增强了氟金云母玻璃陶瓷的弯曲强度。
本发明提供的一种高强度可加工云母玻璃陶瓷中的ZrO2的质量百分含量不宜小于5％，因为，如果ZrO2晶体的过少，使其不能完全的分布于氟金云母晶体的周围，进而，形成的钉扎效应不完全，使得制得的氟金云母玻璃陶瓷的弯曲强度不均一，不能达到均匀增加玻璃陶瓷的强度的目的。
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。
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：
本实施例中可加工云母玻璃陶瓷中ZrO2晶体的质量百分含量为25％。
与实施例1相比，本实施例提高了可加工云母玻璃陶瓷中ZrO2晶体的质量百分含量，同时，减少了陶瓷中氟金云母的百分含量，增加了氟金云母六方晶体中的钉扎效应，进一步提高了可加工云母玻璃陶瓷的弯曲强度。
本发明提供的一种高强度可加工云母玻璃陶瓷中ZrO2晶体的质量百分含量不宜大于25％，因为，如果ZrO2晶体的含量过大，钉扎效应就会增大，进而破坏氟金云母的层状结构，影响氟金云母玻璃陶瓷的可加工性能。
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135MPa。
实施例9
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：
本实施例中可加工云母玻璃陶瓷中ZrO2晶体的质量百分含量为20％。
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132MPa。
实施例10
与实施例3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133MPa。
实施例11
与实施例3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133MPa。
实施例12
与实施例3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134MPa。
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“KMg3(Si3Al)O10F2的质量百分含量为55-75％”，此数值范围包括55-75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)

1.一种颗粒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、SiO2、含有Al3+的化合物和含有Mg2+的化合物，以摩尔比计，K2SiF6:SiO2:含有Al3+的化合物:含有Mg2+的化合物为1:5:2:6；
步骤二，将第一粉体干燥，煅烧，得到氟金云母原料；
步骤三，按质量百分含量计，将5-25％的含有Zr4+的化合物、55-75％氟金云母原料、20-25％SiO2-B2O-Al2O3-CaO系玻璃粉混合均匀，砂磨，得第二粉体，所述的含有Zr4+的化合物为锆的氧化物、锆的氢氧化物或锆的无机盐；
步骤四，将所述的第二粉体造粒、成型、干燥、煅烧，得到可加工陶瓷，
所述的可加工陶瓷的弯曲强度大于120MPa。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的锆的氧化物为ZrO2，所述的锆的氢氧化物为氢氧化锆，所述的锆的无机盐为氧氯化锆、四氯化锆或八水氧氯化锆；
所述的SiO2为SiO2试剂、石英砂或硅微粉；
所述的MgCO3为轻质碳酸镁或重质碳酸镁。
3.根据权利要求2所述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的ZrO2为ZrO2粉体。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒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。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的砂磨为湿法砂磨。
6.根据权利要求1或2所述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
所述的锆的无机盐在造粒过程以溶液状态存在，在粉体造粒过程中过饱和析出，均匀分布于粉体中，所述的造粒的温度为200-280℃。
7.根据权利要求1所述的一种颗粒增强可加工陶瓷的制备方法，其特征在于：
步骤二中煅烧的温度为900-1050℃；
步骤四中煅烧的温度为680-1210℃。
8.一种颗粒增强可加工陶瓷，其特征在于：
所述的颗粒增强可加工陶瓷由权利要求1-7中任一项制备得到，所述的颗粒增强可加工陶瓷的组分及各组分的质量百分含量为，
9.根据权利要求8所述的一种颗粒增强可加工陶瓷，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％。
10.根据权利要求8所述的一种颗粒增强可加工陶瓷，其特征在于：
所述的可加工陶瓷的微观结构为ZrO2均匀分布在云母晶粒边界，形成钉扎效应。
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