CN116621592B - 一种耐腐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及陶瓷材料领域，更具体地说，它涉及一种耐腐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法。一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，按照质量百分比，包括以下原料：90‑95%氧化铝、1‑3%二氧化硅、0.1‑1%氧化镁、0.1‑1%钛酸钙、0.1‑2%水镁石纤维、0.1‑1%硅硼玻璃、0.5‑1.5%莫来石纤维、0.5‑2%分散剂；其制备方法为：将氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙、水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维、分散剂混合，在1100‑1300r/min的条件下球磨0.5‑1.5h，得到球磨料；将球磨料置于700‑800℃、200‑240MPa的条件下烧结4‑8h，得到成品。本申请具有提高氧化铝陶瓷的耐腐蚀性的优点。

Description

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法

技术领域

本申请涉及陶瓷材料领域，更具体地说，它涉及一种耐腐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝为主体的陶瓷材料，因其耐高温、耐磨、电绝缘性好等优点，被广泛应用于化工、电子、航天航空等领域。

根据氧化铝含量的不同，氧化铝陶瓷又分为低铝瓷和高铝瓷，其中氧化铝含量在85％以上的为高铝瓷。目前在生产中，氧化铝含量约为95％的氧化铝陶瓷称为“95瓷”，该种氧化铝陶瓷在市面上的应用最为广泛。

随着氧化铝陶瓷的应用越来越广泛，部分下游行业如海洋装备使用氧化铝陶瓷的频率越来越高。众所周知，海水具有较强的腐蚀性，一般的材料容易被腐蚀损坏。因此，如何制备出一种耐海水腐蚀的氧化铝陶瓷成为了需要解决的问题。

发明内容

为了提高氧化铝陶瓷的耐腐蚀性，本申请提供一种耐腐蚀氧化铝陶瓷及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，采用如下的技术方案：

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，按照质量百分比，包括以下原料：90-95％氧化铝、1-3％二氧化硅、0.1-1％氧化镁、0.1-1％钛酸钙、0.1-2％水镁石纤维、0.1-1％硅硼玻璃、0.5-1.5％莫来石纤维、0.5-2％分散剂。

通过采用上述技术方案，在特定的水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的共同配合下，出现了纤维桥联和纤维增强孔壁结构，两种结构形式之间维持着协调的关系，加强了内部结构的强度，内部结构有了强韧有力的支撑。在面对海水侵蚀时，内部结构不容易被破坏，使得氧化铝陶瓷能够保持长效稳定的结构。

并且，在三者的共同配合下，可以提高熔融过程中与基材的润湿性。三者在体系内部相互搭接形成了有较大孔的特殊网状结构，由于良好的润湿性，该网状结构得以在体系中的多个方向蔓延，均匀遍布在体系内，不容易沉降。将氧化铝陶瓷类比于钢筋混凝土结构，该网状结构类似于钢筋，氧化铝类似于混凝土，可以大幅度提高氧化铝陶瓷的强度。网络结构的较大孔可以让氧化铝更加容易穿过，不容易因为无法穿过网络结构的孔洞而发生团聚；由于氧化铝陶瓷内部各处分散性好，氧化铝陶瓷的结构稳定性得到进一步提升，不容易被海水侵蚀损坏，具有较好的耐腐蚀性。

优选的，所述水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的质量比为(0.5-1.0)：(0.3-0.8)：(1-1.5)。

通过采用上述技术方案，进一步限定水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维之间的使用比例，使得网络结构的性能更加稳定，从而进一步提高氧化铝陶瓷的强度和耐腐蚀性。

优选的，所述分散剂包括蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂、木质素磺酸盐分散剂中的一种或多种混合。

优选的，所述分散剂为蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂，蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂的质量比为1：(0.5-1)。

通过采用上述技术方案，进一步限定分散剂的种类及使用比例，可以更加充分打开团聚的颗粒，使体系中的颗粒受到空间位阻和静电斥力双重作用，水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维具有更优良的分散性，进一步充分发挥三者的配合作用。

优选的，所述硅硼玻璃的粒径为1-5μm。

通过采用上述技术方案，进一步限定硅硼玻璃的粒径。在该粒径下的硅硼玻璃熔融体与基体具有更好的润湿性和更小的接触角，有利于提高氧化铝陶瓷的致密程度。

第二方面，本申请提供一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，采用如下的技术方案：一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

将氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙、水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维、分散剂混合，在1100-1300r/min的条件下球磨0.5-1.5h，得到球磨料；

将球磨料置于700-800℃、200-240MPa的条件下烧结4-8h，得到成品。

当烧结温度太高时，莫来石纤维中的晶粒可能会产生变化，使得氧化铝陶瓷的结构变得疏松，从而产生缝隙，直接体现出来的是容易受到海水侵袭。

通过采用上述技术方案，在二氧化硅、氧化镁、钛酸钙的特定比例配合下，可以增强晶格畸变，提高扩散速度，从而大幅度降低了烧结温度，减少了莫来石纤维结构发生变化的情况，进一步保证的所生成的氧化铝陶瓷的结构稳定性，有利于提高耐腐蚀效果。

并且，本申请所提供的制备方法可以有效减缓多孔结构的下形成，在烧结过程中形成了更加均匀的微观结构，得到更加致密的氧化铝陶瓷。当氧化铝陶瓷长期浸泡在海水中，外围部分由于直接接触而腐蚀情况最严重。由于本申请的氧化铝陶瓷的致密度得到有效提高，可以在一定程度上延缓腐蚀速度，海水不容易进入到结构内部、破坏结构。

优选的，所述球磨料进行烧结时，置于氩气气氛中进行。

在实际实验中发现，氩气气氛可以进一步减少反应中气孔的生成，从而有利于提高氧化铝陶瓷的致密性，有利于提高强度和耐腐蚀性。

优选的，将所述水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维与水混合，加热到55-65℃，搅拌至均匀；然后再加入分散剂共同混合，搅拌至均匀，得到待用液；

制得待用液后，再与氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙混合、球磨。

通过采用上述技术方案，预先制备待用液，使水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维与氧化铝混合之前即得到均匀的分散，有利于充分发挥后续的混合作用。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、在特定的水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的共同配合下，出现了纤维桥联和纤维增强孔壁结构，两种结构形式之间维持着协调的关系，加强了内部结构的强度，内部结构有了强韧有力的支撑。在面对海水侵蚀时，内部结构不容易被破坏，使得氧化铝陶瓷能够保持长效稳定的结构。

2、在特定的水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的共同配合下，形成了有较大孔的特殊网状结构，氧化铝陶瓷的结构稳定性得到进一步提升，不容易被海水侵蚀损坏，具有较好的耐腐蚀性。

3、在二氧化硅、氧化镁、钛酸钙的特定比例配合下，可以增强晶格畸变，提高扩散速度，从而大幅度降低了烧结温度，降低了莫来石纤维结构发生变化的情况，进一步保证的所生成的氧化铝陶瓷的结构稳定性，有利于提高耐腐蚀效果。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

以下实施例及对比例中所用的原料均为市售产品。

实施例

实施例1

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，包括以下原料：氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙、水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维、分散剂。

分散剂为蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂，蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂的质量比为1：0.8。

硅硼玻璃的粒径为3μm。

各原料的具体用量详见表1。

本申请实施例还公开一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维与水混合，加热到60℃，搅拌至均匀。水的添加量为水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维总质量的1-3倍，在本实施例中是1倍。

然后再加入分散剂共同混合，搅拌至均匀，得到待用液。

步骤2)：将氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙、待用液混合，投入球磨机中，在1200r/min的条件下球磨1h，在氩气气氛中进行。

球磨结束后，再抽真空脱泡、喷雾干燥，得到球磨料；

步骤3)：将球磨料置750℃、220MPa的条件下烧结6h，得到成品。

实施例2

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂的质量比为1：0.5。

硅硼玻璃的粒径为1μm。

各原料的用量不同，具体详见表1。

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，与实施例1的不同之处在于，

步骤1)中加热到55℃，水的添加量为水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维总质量的3倍。

步骤2)中在1100r/min的条件下球磨1.5h。

步骤3)中在700℃、240MPa下烧结8h。

实施例3

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂的质量比为1：1。

硅硼玻璃的粒径为5μm。

各原料的用量不同，具体详见表1。

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，与实施例1的不同之处在于，

步骤1)中加热到65℃。

步骤2)中在1300r/min的条件下球磨0.5h。

步骤3)中在800℃、200MPa下烧结4h。

实施例4

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的质量比为0.5：0.3：1.5。即水镁石纤维的使用量为0.5kg，硅硼玻璃的使用量为0.3kg，莫来石纤维的使用量为1.5kg，氧化铝的使用量为93.2kg。

实施例5

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的质量比为1.0：0.8：1。即水镁石纤维的使用量为1kg，硅硼玻璃的使用量为0.8kg，莫来石纤维的使用量为1kg，氧化铝的使用量为92.7kg。

实施例6

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的质量比为1.5：0.1：0.9。即水镁石纤维的使用量为1.5kg，硅硼玻璃的使用量为0.1kg，莫来石纤维的使用量为0.9kg。

表1

实施例7

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，分散剂为蓖麻油，即蓖麻油的使用量为1.8kg，聚羧酸铵盐分散剂的使用量为0kg。

实施例8

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，与实施例1的不同之处在于，

省略步骤1)，即水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维、分散剂直接与氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙混合。

实施例9

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤2)中，在空气气氛中进行球磨。

对比例

对比例1

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，将水镁石纤维替换为等质量的碳纤维，即水镁石纤维的使用量为0kg，碳纤维的使用量为0.8kg。

对比例2

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，将硅硼玻璃替换为等质量的氧化铝，即硅硼玻璃的使用量为0kg，氧化铝的使用量为93.5kg。

对比例3

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，将莫来石纤维替换为等质量的羧甲基纤维素，即莫来石纤维的使用量为0kg，羧甲基纤维素的使用量为1.2kg。

对比例4

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，与实施例1的不同之处在于，二氧化硅的使用量为0.1kg，氧化镁的使用量为1.3kg，钛酸钙的使用量为1.3kg。

对比例5

一种耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，与实施例1的不同之处在于，步骤3)的烧结温度为1200℃。

性能检测试验

1、腐蚀性检测：将实施例1-9、对比例1-5的氧化铝陶瓷制成10cm*10cm*2cm的样块，用清水对样块进行清洗，沥干后记录样块的质量m₁。然后将样块浸泡到海水中90d，取出后用清水对样块进行清洗，沥干后再次记录样块的质量m₂。按照公式计算质量损失率，记录到表2中。

2、强度检测：参考GB/T 6569－2006《精细陶瓷弯曲强度试验方法》，对实施例1-9、对比例1-5的氧化铝陶瓷进行抗弯强度检测，在表2中记录初始弯曲强度。

对上述试验1中浸泡90d后的样块进行抗弯强度检测，在表2中记录处理后弯曲强度。

表2

根据表2中实施例1与对比例1-3的检测数据对比可知，实施例1的氧化铝陶瓷在强度、耐腐蚀性、腐蚀之后的强度均远优于对比例1-3的。说明在水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的共同配合下，发生了特殊配合，可以有效提高氧化铝陶瓷的性能。随意破坏该组合都会使得特殊配合无法发挥作用，无法得到高强度、耐腐蚀的氧化铝陶瓷。

根据表2中实施例1、4-5与实施例6的检测数据对比可知，实施例1、4-5的氧化铝陶瓷都具有较高的强度，浸泡海水后质量变化小。而实施例6的氧化铝陶瓷虽然较对比例1-3的性能好，但是略差于实施例1、4-5的。说明不光需要使用水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维三者来制备氧化铝陶瓷，还需要进一步限定三者的使用量及配合比例。若在特定用量内添加，但没有限定在特定配合比例下添加，对强度有影响；氧化铝陶瓷被海水侵蚀后，强度也会有更明显的下降。所以，还是需要进一步限定水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维之间的配合比例，充分发挥三者之间的特殊配合效果，从而得到强度更高、耐腐蚀性能更好的氧化铝陶瓷。

根据表2中实施例1和实施例7的检测数据对比可知，实施例1的氧化铝陶瓷在耐腐蚀方面的性能与实施例7相差不算太大，主要是在强度方面有差距。证明水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的共同配合确实与基材有较好的润湿性，使得原料之间可以与基材良好配合；分散剂的进一步限定也能够辅助提高原料之间的分散效果。

根据表2中实施例1与实施例8的检测数据对比可知，提前将水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维与分散剂混合后再与其他原料配合的方式可以有效提高氧化铝陶瓷的强度和稳定性。

根据表2中实施例1与实施例9的检测数据对比可知，相较于空气气氛，在氩气气氛中制备的氧化铝陶瓷具有更好的耐腐蚀性、稳定性、强度。可能是因为在氩气气氛下，润湿的液滴可以更加充分熔化，生成的气泡消失，使得氧化铝陶瓷内部有更加致密的结构，从而提高氧化铝陶瓷的性能。

根据表2中实施例1与对比例4的检测数据可知，当二氧化硅、氧化镁、钛酸钙的用量不在特定用量限定下时，对于降低烧结温度的效果被削弱，可能会引发莫来石纤维的晶粒变化，从而影响所生成的氧化铝陶瓷的性能，无法具有优良的耐腐蚀性。

根据表2中实施例1与对比例5的检测结果对比可知，对比例5的烧结温度较高，所制得的氧化铝陶瓷的性能受到较大影响，说明需要进一步控制烧结温度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种耐腐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于，按照质量百分比，包括以下原料：90-95%氧化铝、1-3%二氧化硅、0.1-1%氧化镁、0.1-1%钛酸钙、0.1-2%水镁石纤维、0.1-1%硅硼玻璃、0.5-1.5%莫来石纤维、0.5-2%分散剂；

所述水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维的质量比为（0.5-1.0）：（0.3-0.8）：（1-1.5）；

所述分散剂包括蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂、木质素磺酸盐分散剂中的一种或多种混合。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于：所述分散剂为蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂，蓖麻油、聚羧酸铵盐分散剂的质量比为1：（0.5-1）。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀氧化铝陶瓷，其特征在于：所述硅硼玻璃的粒径为1-5μm。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙、水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维、分散剂混合，进行球磨，得到球磨料；

将球磨料置于700-800℃的条件下烧结4-8h，得到成品。

5.根据权利要求4所述的耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述球磨料进行烧结时，置于氩气气氛中进行。

6.根据权利要求4或5所述的耐腐蚀氧化铝陶瓷的制备方法，其特征在于：将所述水镁石纤维、硅硼玻璃、莫来石纤维与水混合，搅拌至均匀；然后再加入分散剂共同混合，搅拌至均匀，得到待用液；

制得待用液后，再与氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸钙混合、球磨。