CN115583828A - 高致密度、高强度方解石陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

方解石相是碳酸钙(CaCO3)的热力学稳定相，在自然界中储量丰富。本发明公开了一种高致密度、高强度方解石陶瓷及其制备方法，该陶瓷是方解石相碳酸钙的块体材料，由方解石粉末与水、酸溶液或固体酸混合后，在室温至200℃的温度下、施加一定压强后制得，其致密度在80％以上，并具有明显高于水泥、天然岩石等传统结构材料的强度，可用于建筑、装饰等传统领域。与天然方解石岩石相比，本发明公开的方解石陶瓷具有纯度高、微结构可控等优点，因此还可用于医学骨再生及电子工业等高新技术领域。同时，本发明公开的方解石陶瓷制备工艺简单、制备温度低、原料来源丰富且价格低廉，因此有利于低成本的规模生产。

Description

高致密度、高强度方解石陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及可应用于建筑、装饰等传统领域及医学、电子工业等高新技术领域的陶瓷材料，尤其涉及一种具有高致密度、高强度的方解石陶瓷及其制备方法。
背景技术
碳酸钙(CaCO3)广泛存在于土壤、岩石及生物体中，以碳酸钙为主要成份的天然岩石作为建筑及装饰材料使用已有数千年历史，而人工碳酸钙陶瓷不仅可替代天然岩石用于建筑及装饰等传统领域，其在医学、电子工业等高新技术领域也具有广泛的应用前景。碳酸钙有方解石相、球霰石相、文石相及非晶相等四种存在形式，其中方解石相为自然界中存在最为广泛的热力学稳定相，具有稳定性好、成本低廉、储量丰富的优势。由于方解石会在627℃附近分解，制备方解石陶瓷需在高压二氧化碳气氛中进行烧结，或采用热压烧结等更为复杂的方法，这就使得人造方解石陶瓷的成本高、能耗大，严重限制了其大规模生产和应用。因此，开发可在温和条件下制备具有高致密度、高强度的方解石陶瓷，对其在诸多领域内的应用均具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高致密度、高强度的方解石陶瓷及其制备方法。本发明提供的方解石陶瓷可用下述方法制备而成。
首先，向方解石粉末中加入助剂，将两者混合均匀。之后，给混合物施加单轴压或等静压，在室温至200℃的温度下保持。最后，撤去外加压强，将制得产品在400℃以下的温度干燥、去除水或其它残留物后，即可得到高致密度、高强度方解石陶瓷。
上述方案中，进一步地，所述的助剂可以是水、酸溶液(如二氧化碳水溶液、草酸水溶液、柠檬酸水溶液)或固体酸(如二水合草酸、无水草酸、一水合柠檬酸、无水柠檬酸)。
进一步地，所述的助剂与方解石粉末的质量百分比通常可为1～20％。
进一步地，所述保持的时长通常可为1～120分钟。
进一步地，所施加的压强通常应不低于200MPa。
本发明提供的方解石陶瓷，其致密度为80～99.5％，并具有优秀的力学性能。其抗压强度为102～350MPa，抗弯强度为18～71MPa，明显高于天然岩石、水泥等传统建筑材料。因此，本发明提供的方解石陶瓷可作为高强轻质、稳定可靠的新型材料，部分代替天然岩石、水泥等传统材料，在建筑、装饰等领域获得广泛应用。与天然方解石岩石相比，本发明提供的方解石陶瓷具有纯度高、微结构可控等优点，因此还可用于医学及电子工业等高新技术领域。同时，本发明提供的方解石陶瓷的制备方法具有工艺简单、制备温度低、原料来源丰富且价格低廉等一系列优点，因此易实现低成本的规模生产，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
表1～5示出了构成本发明的方解石陶瓷的几个具体实例及其致密度、力学性能。其制备方法如上所述，除表1外，采用的助剂质量百分比、保压时间均分别为10％、30分钟。方解石陶瓷的致密度通过体积法测试，抗压强度与抗弯强度则使用万能材料试验机测试。
表1、以水为助剂时方解石陶瓷的致密度及力学性能。
Figure BDA0003907907280000021
Figure BDA0003907907280000031
表2、以酸溶液为助剂时方解石陶瓷的致密度及力学性能。
Figure BDA0003907907280000032
表3、以固体酸为助剂时方解石陶瓷的致密度及力学性能。
Figure BDA0003907907280000033
Figure BDA0003907907280000041
以上实施例中，均可得到高致密度、高强度的方解石陶瓷。由表1知，以水为助剂时，制备过程中助剂含量及保压时间对最终产品的致密度及力学强度的影响较小，制备温度的影响稍大，而制备压强则起着决定性作用。因此，在其它实施例中，将助剂质量百分比、保压时间固定在10％、30分钟。在制备温度为20℃、制备压强低于200MPa时，制得产品的致密度及抗压、抗弯强度均很低，如100MPa时三者分别为72.3％、24MPa、6MPa，无法满足应用需求。随着制备压强的升高，方解石陶瓷的致密度及抗压、抗弯强度均迅速增加；当制备压强超过800MPa时，致密度随压强的升高仍缓慢增加，但抗压及抗弯强度稍有降低。同时，制备温度的升高也有助于提高致密度及力学强度。由表2知，以酸溶液为助剂有助于致密度及抗压、抗弯强度的进一步提升，制备温度及酸的类型与浓度均对最终性能有一定影响。由表3知，以水合或无水固体酸为助剂、制备温度较高时，致密度及抗压、抗弯强度的提升效果非常显著，三者最高可达99.5％、350MPa、71MPa；但制备温度较低时，与以水为助剂相比并无明显提升、甚至有所下降。因此，采用水为助剂、在室温下制备即可得到致密度与抗压、抗弯强度较高的方解石陶瓷，而通过提高制备温度、使用酸溶液、特别是固体酸作为助剂，虽然增加了制备过程的复杂程度，却可实现综合性能的大幅提升。实际应用时，可根据应用场景及对最终产品的性能要求，选择合适的制备条件。
本发明提供的高致密度、高强度方解石陶瓷，具有工艺简单、制备温度低、原料来源丰富且价格低廉等一系列优点，易实现低成本的规模生产。其抗压及抗弯强度明显高于天然岩石、水泥等传统建筑材料，可部分代替后者在建筑、装饰等领域获得广泛应用。同时，采用高纯度原料、以水为助剂时可直接得到高纯度方解石陶瓷；而以酸溶液或固体酸为助剂时，可通过后续400℃以下的处理完全去除残留物，同样可得到高纯度陶瓷。因此，本发明提供的方解石陶瓷还具有纯度高、微结构可控的优点，在医学及电子工业等高新技术领域同样有望获得广泛应用。

Claims (6)

1.具有高致密度、高强度的方解石陶瓷，其特征在于：是以方解石粉末制得的陶瓷材料，具有高致密度、高抗压强度及高抗弯强度的特性，致密度为80～99.5％，抗压强度为102～350MPa，抗弯强度为18～71MPa。
2.制备如权利要求书1所述具有高致密度、高强度的方解石陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，向方解石粉末中加入助剂，混合均匀，之后，给混合物施加单轴压或等静压，在室温至200℃的温度下保持，最后，撤去外加压强，将制得产品在400℃以下的温度干燥、去除水或其它残留物后即可得到高致密度、高强度方解石陶瓷。
3.根据权利要求2所述的具有高致密度、高强度的方解石陶瓷的制备方法，其特征在于，所述助剂是水、酸溶液或固体酸。
4.根据权利要求2所述的具有高致密度、高强度的方解石陶瓷的制备方法，其特征在于，所述助剂与方解石粉末的质量百分比为1～20％。
5.根据权利要求2所述的具有高致密度、高强度的方解石陶瓷的制备方法，其特征在于，所述保持的时长为1～120分钟。
6.根据权利要求2所述的具有高致密度、高强度的方解石陶瓷的制备方法，其特征在于，所施加的压强不低于200MPa。
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