发明内容
针对上述问题,本发明提供一种超硅粉胶泥复合材料,包括固体组分和液体组分;其中,所述固体组分其按照重量份,包括以下成分:
超硅粉15~22份,白刚玉细粉12~20份,棕刚玉细粉10~15份,耐火水泥8~10份,莫来石纤维6~8份,α-氧化铝微粉5~15份,防爆纤维2~6份,无机盐速凝剂1~3份;
所述液体组分为水;所述固体组分与液体组分的重量比为1∶0.1~0.3。
优选地,所述液体组分需要在使用时再与所述固体组分混合。
优选地,所述白刚玉细粉的粒径为20~100μm;所述棕刚玉细粉的粒径为20~100μm。
优选地,所述耐火水泥为硅酸盐水泥;所述的硅酸盐水泥为PO42.5或PO32.5普通硅酸盐水泥。
优选地,所述α-氧化铝微粉1~5μm。
优选地,所述超硅粉由硅化钽/氧化锆复合微球对超细硅微粉进行改性得到。
优选地,所述超细硅微粉的粒径为0.1~1μm。
优选地,所述硅化钽/氧化锆复合微球的制备方法为:
S1.称取氯氧化锆加入至质量分数为60%的乙醇溶液中,室温下搅拌液体至澄清后,滴加双氧水至液体的pH=3~4,室温下继续搅拌2~5h,即得到锆基水凝胶液;
其中,氯氧化锆与乙醇溶液的质量比为1∶6~10;
S2.称取硅化钽纳米颗粒加入至所述锆基水凝胶液中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散0.5~1h,升温至70~80℃,回流搅拌反应5~10h,冷却至室温后,滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液至液体的pH=9.0~10.0,静置8~12h,过滤取固体,使用去离子水洗涤至中性,置于80~100℃下烘干,得到硅化钽/氧化锆复合微球粗产物;
其中,硅化钽纳米颗粒、所述锆基水凝胶液与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶8~12∶0.02~0.05;
S3.将所述硅化钽/氧化锆复合微球粗产物置于马弗炉中,先升温至250~300℃,保温处理2~3h,之后继续升温至600~700℃,保温处理5~8h,随炉冷却至室温,得到硅化钽/氧化锆复合微球。
优选地,所述超硅粉的制备方法为:
S1.称取超细硅微粉加入至去离子水中,超声分散0.1~0.5h后,先后加入聚丙烯酸钠和磷酸二氢铝,搅拌至均匀后倒入行星球磨机中进行湿法研磨,置于干燥箱中干燥,得到表面处理硅微粉;
其中,聚丙烯酸钠、磷酸二氢铝、超细硅微粉与去离子水的质量比为1∶15~18∶25~35∶70~100;
S2.称取所述表面处理硅微粉与所述硅化钽/氧化锆复合微球加入至去离子水中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散至均匀,倒入聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,升温至150~180℃,反应10~15h,冷却至室温后,过滤取固体,使用去离子水洗涤三次,置于烘箱中干燥处理,即得到超硅粉;
其中,所述表面处理硅微粉、所述硅化钽/氧化锆复合微球、去离子水与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶1.2~1.4∶8~10∶0.05~0.1。
优选地,所述湿法研磨使用的是氧化锆球进行研磨,其中,氧化锆球的直径为0.5~1.0mm,球磨速度为800~1000r/min,球磨时间12~24h。
本发明的另外一个目的是提供一种超硅粉胶泥复合材料的制备方法,所述的制备方法包括以下步骤:
(1)按量称取白刚玉细粉、棕刚玉细粉、超硅粉和无机盐速凝剂混合,搅拌至均匀后,加入按量称取的水,搅拌成混合浆料;
(2)向所述混合浆料中依次加入按量称取的莫来石纤维,α-氧化铝微粉和防爆纤维,搅拌分散至均匀后,再加入耐火水泥,继续搅拌至均匀,即得到超硅粉胶泥复合材料。
本发明的有益效果为:
1.本发明制备了一种超硅粉胶泥复合材料,其中,固体原料包括主原料超硅粉、白刚玉细粉和棕刚玉细粉,以及辅助原料耐火水泥、莫来石纤维、α-氧化铝微粉、防爆纤维、无机盐速凝剂。相较于环氧胶泥以及其他胶泥产品,刚玉胶泥能耐更高的温度,在耐磨以及耐氧化方面发挥也更加优异,但是刚玉胶泥存在价格昂贵、抗热震性差的缺陷,限制了其应用。本发明制备的超硅粉胶泥不仅能够发挥出与刚玉胶泥相似的性质,且又能够克服刚玉胶泥热震性差的缺陷。其中,主原料是决定本发明胶泥性质的主要材料,辅助原料为对胶泥性质的进一步优化。本发明采用了超硅粉替换了现有技术中使用的刚玉细粉,不仅降低了成本,还解决了刚玉细粉在使用过程中出现的热震性差,易出现大缝裂纹和破损现象的问题,进一步提高了生产效率,增强了对线圈的保护作用。
2.氧化锆能够在1500℃以上超高温氧化气氛下长期使用,最高使用温度高达2200℃,并且具有高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化的优点。然而传统的制备氧化锆微球常常会出现团聚现象,且在与其他原料结合后出现溶出和分布不均匀的现象。本发明通过使用硅化钽以及特定的制备方法所制备得到的复合微球粒径在20~100μm,不仅成分混合均匀,且微球表面具有排列均匀的微孔,其中微孔的截面直径能够达到5~10nm。硅化钽具有较好的耐高温性、较高的导热率以及低热膨胀系数,本发明将氧化锆与硅化钽复合后制备复合微球的过程是:先通过使用锆盐得到水溶胶,再通过回流反应将纳米硅化钽均匀吸附,之后加入氢氧化钠是为了进一步提升沉淀速度和沉淀率,然后经过一次稍低温度的热处理和一次稍高温度的热处理得到表面孔径均匀,掺杂均匀的复合微球。该复合微球不仅进一步提升了氧化锆的比表面积,还进一步改善了氧化锆微球常出现的容易聚合的问题。
3.硅微粉本身具有耐磨耐腐蚀、热膨胀系数低、热导率高、性质稳定的优点,在添加于刚玉类胶泥中应用后能够发挥出其优良的性质,但是硅微粉的添加却也导致了胶泥产品的脆性增大,因此在刚玉类胶泥中的添加量一般不大于5%。本发明通过对硅微粉进行改进,制备出了性质超于硅微粉的超硅粉,可以大量的添加以取代刚玉的占比,而不会影响胶泥的韧性。本发明制备的超硅粉不仅能够避免对胶泥的韧性降低,还能够提升胶泥的抗热震性,原因在于超硅粉中的外壳体为硅化钽/氧化锆复合微球,该微球因含有导热系数高以及热膨胀系数低的氧化锆,因此在与其他材料结合后,在受到高温的情况下,能够在微球周围产生许多小于临界尺寸的微裂纹,这些微裂纹能够吸收一部分能量,进而起到分散应力的作用,避免应力集中造成的破裂现象。因此,超硅粉能够提高胶泥材料的韧性,同时也提升了胶泥的抗热震性。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种超硅粉胶泥复合材料,包括固体组分和液体组分;其中,所述固体组分其按照重量份,包括以下成分:
超硅粉20份,白刚玉细粉18份,棕刚玉细粉12份,耐火水泥9份,莫来石纤维7份,α-氧化铝微粉10份,防爆纤维4份,无机盐速凝剂2份;
所述液体组分为水;所述固体组分与液体组分的重量比为1∶0.2。
所述液体组分需要在使用时再与所述固体组分混合。
所述白刚玉细粉的粒径为20~100μm;所述棕刚玉细粉的粒径为20~100μm。
所述耐火水泥为硅酸盐水泥;所述的硅酸盐水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
所述α-氧化铝微粉1~5μm。
所述超硅粉由硅化钽/氧化锆复合微球对超细硅微粉进行改性得到。
所述超细硅微粉的粒径为0.1~1μm。
所述硅化钽/氧化锆复合微球的制备方法为:
S1.称取氯氧化锆加入至质量分数为60%的乙醇溶液中,室温下搅拌液体至澄清后,滴加双氧水至液体的pH=3~4,室温下继续搅拌2~5h,即得到锆基水凝胶液;
其中,氯氧化锆与乙醇溶液的质量比为1∶6~10;
S2.称取硅化钽纳米颗粒加入至所述锆基水凝胶液中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散0.5~1h,升温至70~80℃,回流搅拌反应5~10h,冷却至室温后,滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液至液体的pH=9.0~10.0,静置8~12h,过滤取固体,使用去离子水洗涤至中性,置于80~100℃下烘干,得到硅化钽/氧化锆复合微球粗产物;
其中,硅化钽纳米颗粒、所述锆基水凝胶液与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶8~12∶0.02~0.05;
S3.将所述硅化钽/氧化锆复合微球粗产物置于马弗炉中,先升温至250~300℃,保温处理2~3h,之后继续升温至600~700℃,保温处理5~8h,随炉冷却至室温,得到硅化钽/氧化锆复合微球。
所述超硅粉的制备方法为:
S1.称取超细硅微粉加入至去离子水中,超声分散0.1~0.5h后,先后加入聚丙烯酸钠和磷酸二氢铝,搅拌至均匀后倒入行星球磨机中进行湿法研磨,置于干燥箱中干燥,得到表面处理硅微粉;
其中,聚丙烯酸钠、磷酸二氢铝、超细硅微粉与去离子水的质量比为1∶15~18∶25~35∶70~100;
S2.称取所述表面处理硅微粉与所述硅化钽/氧化锆复合微球加入至去离子水中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散至均匀,倒入聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,升温至150~180℃,反应10~15h,冷却至室温后,过滤取固体,使用去离子水洗涤三次,置于烘箱中干燥处理,即得到超硅粉;
其中,所述表面处理硅微粉、所述硅化钽/氧化锆复合微球、去离子水与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶1.2~1.4∶8~10∶0.05~0.1。
所述湿法研磨使用的是氧化锆球进行研磨,其中,氧化锆球的直径为0.5~1.0mm,球磨速度为800~1000r/min,球磨时间12~24h。
上述超硅粉胶泥复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按量称取白刚玉细粉、棕刚玉细粉、超硅粉和无机盐速凝剂混合,搅拌至均匀后,加入按量称取的水,搅拌成混合浆料;
(2)向所述混合浆料中依次加入按量称取的莫来石纤维,α-氧化铝微粉和防爆纤维,搅拌分散至均匀后,再加入耐火水泥,继续搅拌至均匀,即得到超硅粉胶泥复合材料。
实施例2
一种超硅粉胶泥复合材料,包括固体组分和液体组分;其中,所述固体组分其按照重量份,包括以下成分:
超硅粉15份,白刚玉细粉12份,棕刚玉细粉10份,耐火水泥8份,莫来石纤维6份,α-氧化铝微粉5份,防爆纤维2份,无机盐速凝剂1份;
所述液体组分为水;所述固体组分与液体组分的重量比为1∶0.1。
所述液体组分需要在使用时再与所述固体组分混合。
所述白刚玉细粉的粒径为20~100μm;所述棕刚玉细粉的粒径为20~100μm。
所述耐火水泥为硅酸盐水泥;所述的硅酸盐水泥为PO32.5普通硅酸盐水泥。
所述α-氧化铝微粉1~5μm。
所述超硅粉由硅化钽/氧化锆复合微球对超细硅微粉进行改性得到。
所述超细硅微粉的粒径为0.1~1μm。
所述硅化钽/氧化锆复合微球的制备方法为:
S1.称取氯氧化锆加入至质量分数为60%的乙醇溶液中,室温下搅拌液体至澄清后,滴加双氧水至液体的pH=3~4,室温下继续搅拌2~5h,即得到锆基水凝胶液;
其中,氯氧化锆与乙醇溶液的质量比为1∶6~10;
S2.称取硅化钽纳米颗粒加入至所述锆基水凝胶液中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散0.5~1h,升温至70~80℃,回流搅拌反应5~10h,冷却至室温后,滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液至液体的pH=9.0~10.0,静置8~12h,过滤取固体,使用去离子水洗涤至中性,置于80~100℃下烘干,得到硅化钽/氧化锆复合微球粗产物;
其中,硅化钽纳米颗粒、所述锆基水凝胶液与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶8~12∶0.02~0.05;
S3.将所述硅化钽/氧化锆复合微球粗产物置于马弗炉中,先升温至250~300℃,保温处理2~3h,之后继续升温至600~700℃,保温处理5~8h,随炉冷却至室温,得到硅化钽/氧化锆复合微球。
所述超硅粉的制备方法为:
S1.称取超细硅微粉加入至去离子水中,超声分散0.1~0.5h后,先后加入聚丙烯酸钠和磷酸二氢铝,搅拌至均匀后倒入行星球磨机中进行湿法研磨,置于干燥箱中干燥,得到表面处理硅微粉;
其中,聚丙烯酸钠、磷酸二氢铝、超细硅微粉与去离子水的质量比为1∶15~18∶25~35∶70~100;
S2.称取所述表面处理硅微粉与所述硅化钽/氧化锆复合微球加入至去离子水中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散至均匀,倒入聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,升温至150~180℃,反应10~15h,冷却至室温后,过滤取固体,使用去离子水洗涤三次,置于烘箱中干燥处理,即得到超硅粉;
其中,所述表面处理硅微粉、所述硅化钽/氧化锆复合微球、去离子水与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶1.2~1.4∶8~10∶0.05~0.1。
所述湿法研磨使用的是氧化锆球进行研磨,其中,氧化锆球的直径为0.5~1.0mm,球磨速度为800~1000r/min,球磨时间12~24h。
上述超硅粉胶泥复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按量称取白刚玉细粉、棕刚玉细粉、超硅粉和无机盐速凝剂混合,搅拌至均匀后,加入按量称取的水,搅拌成混合浆料;
(2)向所述混合浆料中依次加入按量称取的莫来石纤维,α-氧化铝微粉和防爆纤维,搅拌分散至均匀后,再加入耐火水泥,继续搅拌至均匀,即得到超硅粉胶泥复合材料。
实施例3
一种超硅粉胶泥复合材料,包括固体组分和液体组分;其中,所述固体组分其按照重量份,包括以下成分:
超硅粉22份,白刚玉细粉20份,棕刚玉细粉15份,耐火水泥10份,莫来石纤维8份,α-氧化铝微粉15份,防爆纤维6份,无机盐速凝剂3份;
所述液体组分为水;所述固体组分与液体组分的重量比为1∶0.3。
所述液体组分需要在使用时再与所述固体组分混合。
所述白刚玉细粉的粒径为20~100μm;所述棕刚玉细粉的粒径为20~100μm。
所述耐火水泥为硅酸盐水泥;所述的硅酸盐水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
所述α-氧化铝微粉1~5μm。
所述超硅粉由硅化钽/氧化锆复合微球对超细硅微粉进行改性得到。
所述超细硅微粉的粒径为0.1~1μm。
所述硅化钽/氧化锆复合微球的制备方法为:
S1.称取氯氧化锆加入至质量分数为60%的乙醇溶液中,室温下搅拌液体至澄清后,滴加双氧水至液体的pH=3~4,室温下继续搅拌2~5h,即得到锆基水凝胶液;
其中,氯氧化锆与乙醇溶液的质量比为1∶6~10;
S2.称取硅化钽纳米颗粒加入至所述锆基水凝胶液中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散0.5~1h,升温至70~80℃,回流搅拌反应5~10h,冷却至室温后,滴加0.1mol/L的氢氧化钠溶液至液体的pH=9.0~10.0,静置8~12h,过滤取固体,使用去离子水洗涤至中性,置于80~100℃下烘干,得到硅化钽/氧化锆复合微球粗产物;
其中,硅化钽纳米颗粒、所述锆基水凝胶液与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶8~12∶0.02~0.05;
S3.将所述硅化钽/氧化锆复合微球粗产物置于马弗炉中,先升温至250~300℃,保温处理2~3h,之后继续升温至600~700℃,保温处理5~8h,随炉冷却至室温,得到硅化钽/氧化锆复合微球。
所述超硅粉的制备方法为:
S1.称取超细硅微粉加入至去离子水中,超声分散0.1~0.5h后,先后加入聚丙烯酸钠和磷酸二氢铝,搅拌至均匀后倒入行星球磨机中进行湿法研磨,置于干燥箱中干燥,得到表面处理硅微粉;
其中,聚丙烯酸钠、磷酸二氢铝、超细硅微粉与去离子水的质量比为1∶15~18∶25~35∶70~100;
S2.称取所述表面处理硅微粉与所述硅化钽/氧化锆复合微球加入至去离子水中,再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷,超声分散至均匀,倒入聚四氟乙烯为内衬的反应釜中,升温至150~180℃,反应10~15h,冷却至室温后,过滤取固体,使用去离子水洗涤三次,置于烘箱中干燥处理,即得到超硅粉;
其中,所述表面处理硅微粉、所述硅化钽/氧化锆复合微球、去离子水与乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的质量比为1∶1.2~1.4∶8~10∶0.05~0.1。
所述湿法研磨使用的是氧化锆球进行研磨,其中,氧化锆球的直径为0.5~1.0mm,球磨速度为800~1000r/min,球磨时间12~24h。
上述超硅粉胶泥复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按量称取白刚玉细粉、棕刚玉细粉、超硅粉和无机盐速凝剂混合,搅拌至均匀后,加入按量称取的水,搅拌成混合浆料;
(2)向所述混合浆料中依次加入按量称取的莫来石纤维,α-氧化铝微粉和防爆纤维,搅拌分散至均匀后,再加入耐火水泥,继续搅拌至均匀,即得到超硅粉胶泥复合材料。
对比例
一种胶泥复合材料,包括固体组分和液体组分;其中,所述固体组分其按照重量份,包括以下成分:
白刚玉细粉28份,棕刚玉细粉22份,耐火水泥9份,莫来石纤维7份,α-氧化铝微粉10份,防爆纤维4份,无机盐速凝剂2份;
所述液体组分为水;所述固体组分与液体组分的重量比为1∶0.2。
所述液体组分需要在使用时再与所述固体组分混合。
所述白刚玉细粉的粒径为20~100μm;所述棕刚玉细粉的粒径为20~100μm。
所述耐火水泥为硅酸盐水泥;所述的硅酸盐水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
所述α-氧化铝微粉1~5μm。
上述胶泥复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按量称取白刚玉细粉、棕刚玉细粉、和无机盐速凝剂混合,搅拌至均匀后,加入按量称取的水,搅拌成混合浆料;
(2)向所述混合浆料中依次加入按量称取的莫来石纤维,α-氧化铝微粉和防爆纤维,搅拌分散至均匀后,再加入耐火水泥,继续搅拌至均匀,即得到超硅粉胶泥复合材料。
为了更清楚的说明本发明,将本发明实施例1~3以及对比例所制备胶泥复合材料进行性能检测,其中,性能通过标准YB4018-1991进行检测,结果如表1所示:
表1胶泥复合材料的性能检测
|
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
对比例 |
生坯体积密度/g·cm<sup>-3</sup> |
2.38 |
2.24 |
2.40 |
2.06 |
烧后体积密度/g·cm<sup>-3</sup> |
2.52 |
2.36 |
2.55 |
2.13 |
生坯显气孔率/% |
11 |
14 |
13 |
16 |
烧后显气孔率/% |
12 |
14 |
14 |
18 |
生坯耐压强度/MPa |
52.8 |
47.9 |
53.2 |
40.3 |
烧后耐压强度/MPa |
50.4 |
45.8 |
51.7 |
31.5 |
生坯抗折强度/MPa |
16.2 |
14.1 |
15.8 |
10.6 |
烧后抗折强度/MPa |
15.7 |
13.4 |
15.3 |
7.1 |
从表1可知,本发明实施例1~3所制备份胶泥复合材料具有较好的力学强度以及抗热震性(烧前后的抗折强度),较低的气孔率。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。