CN110590334A - 一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；所述基料的组成为锂质矿物原料15～32wt％、粘土质原料25～50wt％、石英粉2～10wt％、金属硅粉7～28wt％、碳源材料3～12wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12wt％；以所述基料和结合剂制得生坯后，经埋碳烧结而成。此外，还公开了上述碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法。本发明通过调整配方体系、掺入金属硅粉与碳源材料、结合埋碳烧成，实现了以原位合成的方式在锂质瓷中引入碳化硅晶须，从而获得高热导、高强的锂质陶瓷材料。

Description

一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
锂质瓷是一种低膨胀、高热稳定性的陶瓷材质，是耐热瓷(即人们日常使用的耐热煲)常用的材质。然而，锂质瓷具有低导热性能和高比热容的本征缺陷，因而在使用过程中延长了加热时间，提高了能耗；此外，锂质瓷的强度较低，使其无法承受由于急冷急热所产生的热应力，因此容易导致断裂，从而制约了其附加值的提高。而碳化硅晶须具有高模量、高热导率、高强度和高抗热震性等优点，可以弥补锂质陶瓷材料的不足，因此如果将碳化硅晶须结合于锂质陶瓷材料中，将能够综合二者的优点，从而有助于耐热瓷性能及附加值的提升。
目前，现有技术中很少有将碳化硅晶须与锂质瓷结合的实例，其原因在于：一是碳化硅晶须是共价化合物，与锂质瓷的离子化合物体系天然不相容，再加上碳化硅晶须的反致密化作用，掺入碳化硅晶须后锂质瓷不易烧结；二是掺入碳化硅晶须后若采用传统的空气气氛烧结，碳化硅晶须易在烧成过程中氧化导致产品发泡，反而起不到增强和增加热导率的作用；三是碳化硅晶须属于成本高且具有一定长径比的工业原料，存在着原料成本高、混料不匀、性能不均等问题。因此，研究开发出新的碳化硅晶须结合锂质陶瓷材料的复相陶瓷材料及其制备方法，有助于提高锂质陶瓷材料的性能和附加值、并促进其技术的应用和发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，通过调整配方体系、掺入金属硅粉与碳源材料、结合埋碳烧成，实现以原位合成的方式在锂质瓷中引入碳化硅晶须，从而获得高热导、高强的锂质陶瓷材料。本发明的另一目的在于提供上述碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；所述基料的组成为锂质矿物原料15～32wt％、粘土质原料25～50wt％、石英粉2～10wt％、金属硅粉7～28wt％、碳源材料3～12wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12wt％；以所述基料和结合剂制得生坯后，经埋碳烧结而成。
进一步地，本发明所述锂质矿物原料为锂辉石和/或透锂长石；所述粘土质原料为高岭土、球土、膨润土的一种或其组合；所述碳源材料为石墨、炭粉、碳黑的一种或二种组合。
进一步地，本发明所述锂质矿物原料的粒度为80～325目；所述粘土质原料的粒度为80～325目；所述金属硅粉的粒度为150～325目；所述石英粉的粒度为150～325目；所述碳源材料的粒度为250～325目。
进一步地，本发明所述结合剂为水、浓度为2～8wt％的PVA溶液、废纸浆液、糊精中的一种或其组合。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述利用碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：将所述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；压制成型、干燥后得到生坯，然后进行埋碳烧结，烧成后即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
上述方案中，本发明制备方法所述干燥后的生坯其水分含量＜1％。所述埋碳烧结所用含碳材料为石墨粉、炭粉、碳黑中的一种或二种组合。所述烧结温度为1350～1460℃，烧成时间为1～2h。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在锂质瓷的矿物原料体系中掺入金属硅粉和碳源材料，使二者在埋碳烧成锂质瓷的过程中原位反应合成碳化硅晶须。由于锂质瓷生成的液相具有溶解部分金属硅粉和碳源材料的作用，使得晶须能从液相中反应析出，因此解决了碳化硅晶须与锂质瓷的不相容性以及碳化硅晶须的反致密化等问题。而且原位合成碳化硅晶须有效解决了现有技术中晶须与原料不易混匀的问题，极大地提高了锂质陶瓷材料的性能。
(2)本发明通过埋碳烧结形成了保护气氛，从而保护原位合成的碳化硅晶须不被氧化，避免了因氧化产生气孔而影响产品性能，并且操作性强、适用性强，适用于多种窑炉。
(3)本发明碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，致密度高、热导率高、抗热震性能好、热膨胀系数低、机械强度高，其主要性能指标如下：吸水率＜1％、天然矿物添加量≥50％、热导率＞4W/(m·K)、抗折强度≥73MPa、1100℃～室温抗热震循环30次不开裂、热膨胀系数＜4.4×10-6·℃-1。
(4)本发明原料易得、工艺简单、烧成温度低，并且对于提高传统的锂质陶瓷材料的品质、以及节约产品成本具有重要意义，因而具有广阔的市场前景，有利于推广应用和行业技术的进步与发展。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例所制得的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的断面显微结构图(扫描电镜二次电子像)；
图2是本发明实施例所制得的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的透射电子形貌图。
具体实施方式
实施例一：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为透锂长石(250目)16wt％、锂辉石(250目)16wt％、高岭土(325目)35wt％、球土(325目)15wt％、石英粉(80目)8wt％、金属硅粉(250目)7wt％、石墨粉(250目)3wt％；结合剂为水和糊精，其用量分别为基料的6wt％和1wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋石墨粉、在1440℃温度下烧成2h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例二：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为透锂长石(80目)14wt％、锂辉石(150目)14wt％、高岭土(325目)30wt％、球土(80目)5wt％、膨润土(250目)7wt％、石英粉(325目)10wt％、金属硅粉(325目)14wt％、碳黑粉(250目)6wt％；结合剂为水和废纸浆液，其用量分别为基料的10wt％和1wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋炭粉、在1400℃温度下烧成1.5h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例三：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为透锂长石(150目)12wt％、锂辉石(325目)12wt％、高岭土(325目)30wt％、球土(150目)14wt％、石英粉(325目)2wt％、金属硅粉(150目)21wt％、炭粉(250目)9wt％；结合剂为水和浓度为5％的PVA溶液，其用量分别为基料的8wt％和2wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋石墨粉、在1350℃温度下烧成2h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例四：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为透锂长石(150目)21wt％、高岭土(325目)33wt％、石英粉(325目)6wt％、金属硅粉(250目)28wt％、石墨粉(250目)12wt％；结合剂为水和浓度为8％的PVA溶液，其用量分别为基料的8wt％和3wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋石墨粉、在1420℃温度下烧成1h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例五：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为锂辉石(150目)24wt％、高岭土(325目)20wt％、膨润土(250目)20wt％、石英粉(250目)8wt％、金属硅粉(325目)20wt％、石墨粉(250目)8wt％；结合剂为水和浓度为5％的PVA溶液，其用量分别为基料的3wt％和3wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋碳黑粉、在1380℃温度下烧成2h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例六：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为锂辉石(150目)11wt％、透锂长石(150目)11wt％、高岭土(325目)40wt％、石英粉(250目)3wt％、金属硅粉(250目)24wt％、石墨粉(250目)11wt％；结合剂为水、废纸浆液和糊精，其用量分别为基料的3wt％、3wt％和3wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋石墨粉、在1460℃温度下烧成1h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
实施例七：
1、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，包括基料和结合剂；基料的组成为锂辉石(250目)15wt％、透锂长石(80目)15wt％、高岭土(325目)26wt％、球土(250目)22wt％、石英粉(250目)7wt％、金属硅粉(250目)10wt％、石墨粉(250目)5wt％；结合剂为水和糊精，其用量分别为基料的3wt％和3wt％。
2、本实施例一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法如下：
将上述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜1％)；然后埋炭粉、在1440℃温度下烧成2h，即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
本发明实施例制得的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，如图1所示，原位合成的碳化硅晶须从液相中析出，且均匀地分布在锂辉石和莫来石颗粒之间，可起到提高热导率、抗折强度和抗热震性能的作用。如图2所示，原位合成的碳化硅晶须分布在液相中，证明原位复合的方式解决了碳化硅晶须与锂质瓷的液相难以相容的问题。本发明各实施例制得的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料其性能指标见表1。
表1本发明实施例制得的锂质陶瓷材料的性能指标

Claims (8)

1.一种碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，其特征在于：包括基料和结合剂；所述基料的组成为锂质矿物原料15～32wt％、粘土质原料25～50wt％、石英粉2～10wt％、金属硅粉7～28wt％、碳源材料3～12wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12wt％；以所述基料和结合剂制得生坯后，经埋碳烧结而成。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，其特征在于：所述锂质矿物原料为锂辉石和/或透锂长石；所述粘土质原料为高岭土、球土、膨润土的一种或其组合；所述碳源材料为石墨、炭粉、碳黑的一种或二种组合。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，其特征在于：所述锂质矿物原料的粒度为80～325目；所述粘土质原料的粒度为80～325目；所述金属硅粉的粒度为150～325目；所述石英粉的粒度为150～325目；所述碳源材料的粒度为250～325目。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料，其特征在于：所述结合剂为水、浓度为2～8wt％的PVA溶液、废纸浆液、糊精中的一种或其组合。
5.权利要求1-4之一所述利用碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：将所述基料各组成混合后，加入结合剂混合均匀；压制成型、干燥后得到生坯，然后进行埋碳烧结，烧成后即制得碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述干燥后的生坯其水分含量＜1％。
7.根据权利要求5所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述埋碳烧结所用含碳材料为石墨粉、炭粉、碳黑中的一种或二种组合。
8.根据权利要求5所述的碳化硅晶须原位复合锂质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为1350～1460℃，烧成时间为1～2h。
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