CN109912300A

CN109912300A - 一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体及其制备方法及制备方法

Info

Publication number: CN109912300A
Application number: CN201910371746.6A
Authority: CN
Inventors: 邓承溪; 罗忠义
Original assignee: Yongzhou Mingrui Ceramic Technology Co Ltd
Current assignee: Yongzhou Mingrui Ceramic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明公开了一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体及其制备方法及制备方法，按照质量百分含量由如下组分组成：80%～95%的莫来石粉、0%～5%碳化硅粉、0%～5%的二氧化硅粉、0%～2%的氧化锆粉、0~10%的堇青石粉。它以纳米莫来石‑堇青石粉料为基体,加入氧化锆、碳化硅、二氧化硅，其堇青石的作用是降低材料的线胀系数和提高材料的导热系数,碳化硅提高导热系数，氧化锆的作用是增加复合陶瓷的韧性，从而得到抗热震低密度复合陶瓷材料。

Description

一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体及其制备方法及制备方法

技术领域：

本发明涉及陶瓷制备技术领域，更具体地说涉及一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体及其制备方法及制备方法。

背景技术：

材料在温度急剧变化条件下抵抗损伤的能力。曾称热稳定性，热震稳定性，抗热冲击性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。

耐火材料在低温和中温下是脆性材料，缺乏延性，在热工设备使用中，常常受到急剧的温度变化，导致损伤。抗热震性是耐火材料重要的使用性能之一

氧化铝基陶瓷材料具有弹性模量大、强度高、硬度高、高温耐氧化及重量轻、价格低廉等优点，广泛地应用于高温耐磨件、机械密封件、高温发热体、切削刀具等。氧化铝基陶瓷材料是以离子键或共价键结合，位错的势垒很高，材料的脆性大，不能承受巨大的机械冲击和热冲击，即其抗热震性较差，单相氧化铝陶瓷ΔTC（抗热震温差）约为200度。为了其在刀具方面的广泛应用，就必须提高和改善其热震性。

氧化铝陶瓷虽然具有诸多优点，但其韧性及抗热震性都较差，这样就大大限制了它的适用范围。由于基于评价抗热震性能的断裂理论及裂纹形核、扩展机理还不完善，测量方法不统一等都给研究热震性带来了难度。在测量过程中，热震性能受环境影响很大，边界条件难以控制。目前，人们广泛应用有限原法来处边界问题。纳米材料的兴起给材料科学带来了广阔的研究空间，但纳米材料的热震性能很少见于报道，而且，有人发现在氧化铝中加入纳米SiC 颗粒，其抗热震性能并没有得到改善。在目前情况下，对氧化铝陶瓷的抗热震性能的研究更显得必要和迫切。

氧化铝陶瓷具有高强度, 高硬度及良好的抗氧化和化学稳定性, 是一种用途广泛的工程陶瓷。但氧化铝基陶瓷材料线胀系数达到8.0×10^-6/℃, 难以承受剧烈的热冲击,即其抗热震性较差。研究认为,改善陶瓷材料抗热冲击性的主要途径, 就是增加材料的断裂能和热传导能力,降低材料的弹性模量和线胀系数。因此, 在氧化铝陶瓷中添加堇青石,可以获得具有较低线胀系数的复合材料, 从而提高氧化铝陶瓷的抗热震性。

例如中国专利申请号：CN 104788083 A公开了一种多晶硅还原炉用高抗热震性氧化铝陶瓷环及制备方法，包括如下步骤：

取各原料以及粘结剂、分散剂、消泡剂，在高速搅拌磨中研磨2~4小时，分散介质为去离子水，研磨介质为高纯氧化铝陶瓷球或氧化锆瓷球，得到混合均匀的浆料；所述各原料重量百分比为：α-氧化铝微粉67.7~84.6%，板状刚玉5~10%，电熔莫来石粉8~15%，氧化镁0.1~0.5%，高岭土1~3%，碳酸钙0.3~0.8%，氧化锆1~3%；所述的α-氧化铝微粉、氧化镁、碳酸钙粒度为4~5微米，氧化锆粒度为1~2微米，板状刚玉和电熔莫来石粉粒度为200目，该技术方案采取喷雾干燥直接等静压，导致生坯致密，难制备得低密度高抗热震性复合陶瓷材料。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体及其制备方法及制备方法，它以纳米莫来石-堇青石粉料为基体,加入氧化锆、碳化硅、二氧化硅，其堇青石的作用是降低材料的线胀系数和提高材料的导热系数,碳化硅提高导热系数，氧化锆的作用是增加复合陶瓷的韧性，从而得到抗热震低密度复合陶瓷材料。

本发明解决所述技术问题的方案是：

一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体，按照质量百分含量由如下组分组成： 80%～95%的莫来石粉、0%～5%碳化硅粉、0%～5%的二氧化硅粉、0%～2%的氧化锆粉、0~10%的堇青石粉。

所述莫来石粉为纯莫来石粉，堇青石粉为纯堇青石粉。

一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，包括如下步骤：

（1）、按下述重量百分比称取组分：80%～95%的莫来石粉、0%～5%碳化硅粉、0%～5%的二氧化硅粉、0%～2%的氧化锆粉、0~10%的堇青石粉；将所述莫来石粉、所述碳化硅粉、所述二氧化硅粉和所述氧化锆粉混合得到生料粉末，将所述生料粉末在高速搅拌磨中湿法研磨20～40 小时，分散介质为去离子水，研磨介质为高纯氧化铝陶瓷球或氧化锆瓷球，得到混合均匀的浆料；

（2）、在步骤（1）中的浆料中再加入分散剂、乳化剂、粘结剂再进行研磨；

（3）、将步骤（2）制成的原料进行喷雾干燥、烧结瓷化得到空心莫来石复合陶瓷微球；

（4）、将步骤（3）中得到的空心莫来石复合陶瓷微球添加粘结剂，压制成型、烧结得到低密度高抗热震性复合陶瓷。

所述低密度高抗热震性复合陶瓷的造粒粒径大小5μm <D₅₀<20μm，密度小于0.4g/cm³。

所述空心莫来石复合陶瓷微球的粒径<0.5μm。

所述分散剂包括PEG、PAA、聚苯烯酸铵、曲拉通-100一种或几种混合物。

所述粘结剂剂包括PVA、CMC、PH-MC一种或几种混合物。

所述步骤（3）中的烧结瓷化温度为1200~1350℃。

所述步骤（4）中的烧结温度为1550~1600℃。

所述步骤（3）中喷雾干燥、烧结瓷化时间控制在20小时至40小时之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用莫来石粉和堇青石粉作基体，氧化锆粉、碳化硅粉、二氧化硅粉混合，最终形成中空低密度高抗热震性复合陶瓷粉体，其堇青石的作用是降低材料的线胀系数和提高材料的导热系数，碳化硅提高导热系数，氧化锆的作用是增加复合陶瓷的韧性，从而得到抗热震低密度复合陶瓷材料；其研磨20~40小时，使得各组分相互分散充分；所制备的浆料具有超细、各组分相互分散均匀的特点。

（2）用本发明具有安全、粉体性能好、成本较低的特点，适用于工业化。

具体实施方式：

所述莫来石粉为纯莫来石粉；堇青石粉为纯堇青石粉。

所述空心莫来石复合陶瓷微球的粒径<0.5μm。

所述粘结剂剂包括PVA、CMC、PH-MC一种或几种混合物。

所述步骤（3）中的烧结瓷化温度为1200~1350℃。

所述步骤（4）中的烧结温度为1550~1600℃。

具体实施例，将步骤（1）中的生料粉末的混合成本按以下表格的成分表分成A0到D3的12组分，其中A0为不添加任何其他成分的莫来石粉。

具体实施例组分见表一

实施例	莫来石/%	堇青石/%	碳化硅/%	二氧化硅/%	氧化锆/%
						A0	100	0	0	0	0
A1	95	5	0	0	0
						A2	92	8	0	0	0
A3	90	10	0	0	0
						B1	89	10	1	0	0
B2	88.5	10	2	0	0
						B3	88	10	3	0	0
C1	87.5	10	2	1	0
						C2	87	10	2	1.5	0
C3	86	10	2	2	0
						D1	85.5	10	2	1.5	1
D2	85	10	2	1.5	1.5
						D3	84.5	10	2	1.5	2

陶瓷性能对比表二

实施例	密度陶瓷g/cm<sup>3</sup>	陶瓷抗弯强度MPa	断裂韧性MPa	400度遇水骤冷产生裂纹次数
					A0	1.4	500	4.7	11
A1	1.2	490	4.7	13
					A2	1.1	480	4.5	15
A3	0.9	470	4.6	18
					B1	0.88	470	4.6	22
B2	0.88	468	4.5	23
					B3	0.87	465	4.5	22
C1	0.87	465	4.6	23
					C2	0.86	468	4.5	22
C3	0.85	464	4.5	23
					D1	0.86	480	4.7	24
D2	0.87	484	4.8	23
					D3	0.88	490	5.1	25

在相同煅烧条件下，取实施例A0至D3中的试样，将其打磨、抛光检测相关性能，测试方法：

（1）采用三点弯曲测试陶瓷抗弯强度；

（2）用阿几米阿德排水法测定该粉制备的陶瓷试样密度；

（3）将陶瓷加热到400℃直接遇水冷却，测试陶瓷的抗热震性；

结果如下表所示：

实施例A0~A3结果表明：在莫来石中添加堇青石制备的复合陶瓷能增强材料的抗热震性，材料密度能降低，但是陶瓷的陶瓷抗弯强度、断裂韧性有降低趋势。

对比实施A0~A3结果，实施例A3所得材料的抗热震性能最佳。

以A3为基础材料，在材料中添加不同比例的碳化硅0~3%、二氧化硅0~3%、氧化锆0~2%，进行实施例B1~D3，又实施例B1~B3可以看出在材料添加微量的碳化硅可以提高陶瓷材料的抗热震性能，随着碳化硅添加量提高。陶瓷材料的抗弯强度降低。优选方案为实施例B2。

以实施例B2为基础，添加微量的二氧化硅，进行实施例C1~C3，实验结果可以看出能降低材料密度，微量的二氧化硅对于陶瓷材料的抗弯强度，韧性影响变化不大。

由实施例D1~D3可知，在材料中添加微量纳米氧化锆，可提高材料的抗热震性，同事又能增加陶瓷材料韧性及抗弯强度。

综合实施例A0~D3，制备一种低密度高抗热震性复合陶瓷的优选方案为实施例D3。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体，其特征在于：按照质量百分含量由如下组分组成： 80%～95%的莫来石粉、0%～5%碳化硅粉、0%～5%的二氧化硅粉、0%～2%的氧化锆粉、0~10%的堇青石粉。

2.根据权利要求1所述的一种低密度高抗热震性复合陶瓷粉体，其特征在于：所述莫来石粉为纯莫来石粉，堇青石粉为纯堇青石粉。

3.一种根据权利要求1至3中任一项所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述低密度高抗热震性复合陶瓷的造粒粒径大小5μm <D₅₀<20μm，密度小于0.4g/cm³。

5.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述空心莫来石复合陶瓷微球的粒径<0.5μm。

6.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述分散剂包括PEG、PAA、聚苯烯酸铵、曲拉通-100一种或几种混合物。

7.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述粘结剂剂包括PVA、CMC、PH-MC一种或几种混合物。

8.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的烧结瓷化温度为1200~1350℃。

9.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的烧结温度为1550~1600℃。

10.根据权利要求3所述的低密度高抗热震性复合陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中喷雾干燥、烧结瓷化时间控制在20小时至40小时之间。