CN1253125A - 无膨胀锂质陶瓷材料及其坩埚的制法 - Google Patents

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苏平宇
范石生
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苏君道
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苏君道
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Abstract

一种无膨胀锂质陶瓷材料的制法,含LiO2的Li2O·Al2O·2SiO2或Li2O·Al2O·4SiO2与Al2O3、SiO2组成,其配比如下:LiO2为3.0—13%(重量比,下同)、Al2O3含量与LiO2含量按如下比例:Li2O∶Al2O3=1∶1.5—7,其余含量为SiO2,并经粉碎磨细、混和、成型、干燥、烧结、烧结温度1250—1390℃。本发明利用硅酸锂铝研制出膨胀系数α≈±0.1－1×10－6的陶瓷材料。

Description

无膨胀锂质陶瓷材料及其坩埚的制法
本发明涉及一种无膨胀锂质陶瓷材料及其在坩埚上的应用。
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀等特点，常用于制成坩埚、匣钵，也用于其它材料烧结时的支撑件，在电子、冶金、磁性材料等行业中有着许多应用，有些要求是很专门的，然而，在上述行业所采用的陶瓷材料的抗热震性都较差，无法经受反复、急剧的温度变化，陶瓷制品(例如坩埚)存在着开裂、剥落、周转次数低、使用寿命短等不足。究其原因，虽然陶瓷的强度、弹性模量等也影响其热震性，但关键是材料的膨胀系数，因此，在理论上寻找无膨胀陶瓷材料肯定能大大提高陶瓷材料的抗热震性。
过去，为了提高抗热震性，往往采取提高陶瓷材料的强度和导热率、或用带颗粒的多孔的耐热材料，还采用堇青石等低膨胀材料配方，但都难以达到理想的效果。有些行业采用膨胀系数极低(α≈0.5×10-6)的高纯度石英玻璃制品，虽然使用寿命较长，但终因价格昂贵而无法广泛推广。
本发明目的是提供一种低膨胀乃至无膨胀的陶瓷材料及其制成的坩埚制品，尤其是提供一种锂质陶瓷材料及其坩埚，从而得到较理想的使用性能和工作寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种无膨胀锂质陶瓷材料，其特征是由含Li2O的Li2O·Al2O·2SiO2或Li2O·Al2O·4SiO2与Al2O3、SiO2组成，其配比如下：Li2O为3.0--13％(重量比，下同)、Al2O3含量与Li2O含量按如下比例：Li2O∶Al2O3＝1∶1.5--7，其余含量为SiO2，并经粉碎磨细、混和、成型、干燥、烧结、烧结温度1250--1390℃。
利用本发明制成坩埚，采用的是传统工艺，即按本配方制坯成形，并在常规工艺条件下烧结即可，即可达到发明目的。
本发明的特点是：利用硅酸锂铝(LAS)在这方面的特殊性能，研制出膨胀系数α≈±0.1-1×10-6的陶瓷材料，由于这种材料的抗热震性特好，又能制成各种形状任意大小的制品，所以在工业与民用方面的应用都有很大潜力。本材质制品最高长期使用温度1250℃，并反复急冷无损伤，如制成平板可反复1200℃水冷不裂(水温20℃)，甚至制成复杂形状可反复1000℃水冷不裂(水温20℃)。如在工业上可制成坩埚、推板等窑具，还可制成汽轮机叶片、火花塞、高温喷咀、热电偶保护套管，热交换器发热元件片等，在民用上可制成耐热炊具，微波炉及电磁灶面板、炉顶等，用它制成的锅子在炉灶上干烧到红，直接倒入冷水，不会炸裂。利用本发明制成的坩埚具有极好的性能、尤其体现在使用寿命长，不易爆裂，正常使用时间是一般陶瓷的3倍以上，其用于电子陶瓷坩埚尤其有优点。
以下通过实施例对本发明作进一步说明：
无膨胀LAS陶瓷的组成及工艺制品烧成温度
一、组成：
1.主要化学成分：Li2O、Al2O3及SiO2
2.主要品相：Li2O·Al2O·2SiO2、Li2O·Al2O·4SiO2、Li2O·Al2O·6SiO2
            Li2O·Al2O·4SiO2、Li2O·Al2O·10SiO2等
3.主要化学成扮的重量组成范围：
a.Li2O含量3.0--13％
b.Al2O3含量与Li2O含量按如下比例
             Li2O∶Al2O3＝1∶1.5--7
c.其余含量为SiO2
d.根据不同要求，还可少引入Zr、Zn、Ti等氧化物，以调节其膨胀系数，从而决定其性能。二、工艺1.原料a.原料必须精选，纯度要高，部分原料还须予烧；b.按配方组成称量的原料，先进行充分混和磨细、脱水、排气，再经充分陈腐，方可使用。在整个原料制备过程中，严控杂质混入。具体配方的实施例如下：实施例表：
    序号    Li2O(％)    Al2O3(％)     Li2O∶Al2O3   热膨胀系数α×10-6/℃(从常温到700℃) 备注
    1    3.2     22.4     1∶7          0.8  余下为SiO2
    2    4.9     8.82     1∶1.8           1
    3    4.9     14.7     1∶3          0.6
    4     7     26.6     1∶3.8         -0.2
    5     7     35     1∶5          0.05
    6     8.4     31     1∶3.7          0.01
    7     12.5     42.5     1∶3.4         -1.8
    8     3.0     21     1∶7           1  余下为SiO2
    9     3.2     12.8     1∶4          0.3
    10     3.1     5.58     1∶1.8        ＞1.5
    11     7     12.6     1∶1.8        ＞1.5
    12     8.4     42     1∶5          0.8
    13     8.4     68.8     1∶7        ＞1.2
    14     12.5     75     1∶6          0.9
    15     12.5     87     1∶7          1.5  余下为SiO2
    16     4.9     34.3     1∶7           1
    17     8.4     15.1     1∶1.8        ＞1.8
    18     10     18     1∶1.8          0.7
    19     10     50     1∶5          0.4
    20     10     37     1∶3.7         -0.8
    21     10     70     1∶7          0.8
2.成型根据不同形状，不同大小及不同要求，选用注浆、可塑或压制等方法进行成型。3.烧结a.半成品经充分干燥才能入窑
b.采用强氧化--氧化--弱还原的烧成制度，温度1250--1390℃。
采用上述组成范围系列中的任何一个配方，制备成陶瓷原泥。用强氧化--氧化--弱还原的烧成制度，使Li2O、Al2O3、SiO2三者高温反应生成低膨胀的Li2O·Al2O·2SiO2或Li2O·Al2O·4SiO2，再与配方中其余的石英溶合成固溶体，便成为“无膨胀LAS陶瓷材料”。上述实施例1-7的烧成温度控制在1300--1340℃，但在所述温度范围均可以得到质量性能相近的制品。实施例8-14烧成温度控制在1350--1390℃，实施例15-21烧成温度控制在1260--1300℃。
说明：一般把热膨胀系数α＜2×10-6称为低膨胀；α＜1×10-6称为极低膨胀。
上述例中说明了改变锂、硅、铝的氧化物的比可以调节膨胀系数。当调节适当时，可以做到无膨胀甚至负膨胀系数。此外，还可以外加ZrO2、ZnO、TiO2、SiC等材料来调节其膨胀系数，导热率强度，化学稳定性等性能，例如，在所有负膨胀系数的实施例中，通过外加0.3-10％的ZrO2、ZnO、TiO2、SiC均可以立即使负膨胀系数材料转化为正膨胀系数材料。
本发明材料的配方而成的主晶相是Li2O·Al2O·2SiO2、Li2O·Al2O·4SiO2，还可形成Li2O·Al2O·6SiO2、Li2O·Al2O·8SiO2、Li2O·Al2O·10SiO2等晶相。因此，利用锂铝硅酸盐的低的或负的热膨胀性能，可制成低膨胀或无膨胀耐热陶瓷材料。
在上述实施例中，通过外加0.3-10％的ZrO2、ZnO、TiO2，尤其是例4、7、20是负温度系数的实施例，但在添加1-1.5％的ZrO2、ZnO、TiO2的材料后均可以使温度系数极接近于0，再增加ZrO2、ZnO、TiO2添加量，温度系数逐渐增加。
在上述实施例中，在所述配方条件下，尤其成形坩埚、由于膨胀系数极低，因此不需要考虑坩埚的壁厚，可以按所需形状成形，再以所述条件烧成。

Claims (4)

1.一种无膨胀锂质陶瓷材料的制法，其特征是由含Li2O的Li2O·Al2O·2SiO2或Li2O·Al2O·4SiO2与Al2O3、SiO2组成，其配比如下：Li2O为3.0--13％(重量比，下同)、Al2O3含量与Li2O含量按如下比例：Li2O∶Al2O3＝1∶1.5--7，其余含量为SiO2，并经粉碎磨细、混和、成型、干燥、烧结、烧结温度1250--1390℃。
2.由权利要求1所述的无膨胀锂质陶瓷材料的制法，其特征是Li2O为4.9--12.5％。
3.由权得要求1、2所述的无膨胀锂质陶瓷材料的制法，其特征是通过外加0.3-10％的ZrO2、ZnO、TiO2、SiC均可以立即使负膨胀系数材料转化为正膨胀系数材料。
4.由权利要求1、2所述的无膨胀锂质陶瓷材料的制法，其特征以坩埚制坯成形，烧结制成。
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