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CN113336563A - 一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法和制得的产品 - Google Patents

一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法和制得的产品 Download PDF

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CN113336563A CN202110558393.8A CN202110558393A CN113336563A CN 113336563 A CN113336563 A CN 113336563A CN 202110558393 A CN202110558393 A CN 202110558393A CN 113336563 A CN113336563 A CN 113336563A
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Abstract

本发明公开了一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须‑刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂；所述基料的原料组成为铝硅酸盐矿物60～80wt％、金属铝粉10～30wt％、金属硅粉5～20wt％、氟化铝1～3wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。此外，还公开了上述利用天然矿物为原料的塞隆晶须‑刚玉复合陶瓷材料的制备方法和制得的产品。本发明采用天然铝硅酸盐矿物‑金属铝粉‑金属硅粉‑氟化铝为原料体系，通过原位合成的方式引入塞隆晶须和刚玉，不仅节约了原料成本，简化了制备工艺，而且有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题，提高了刚玉基复合陶瓷材料的性能。本发明对于提高刚玉基复合陶瓷材料的品质、以及节约产品成本具有重要意义，有利于推广应用和行业技术的进步与发展。

Description

一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及 其制备方法和制得的产品
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法和制得的产品。
背景技术
刚玉陶瓷具有高温强度高、化学稳定性好、耐火度高等特点，可作坩埚、陶瓷辊道等高温用途。但刚玉陶瓷因高热膨胀系数导致其耐急冷急热性差，而且其烧结体的韧性差，从而限制了它的应用范围。而塞隆晶须具有较高的热导率、低膨胀和高抗热震性等优点，恰好可以弥补刚玉陶瓷性能方面的不足，因此塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料是综合了二者优点的复相陶瓷材料。
然而，目前市场上还没有塞隆晶须产品。即便塞隆晶须出现了商业产品，但还要解决晶须材料难以混合均匀的问题。目前学术界公认的最有可能解决晶须混合不均的方法是采用原位合成法，即通过在材料内部原位合成晶须材料，避免了混合这一步骤，也就解决了晶须不易混合均匀的问题。但即便采用了原位合成的方式引入塞隆晶须，刚玉仍旧选用的是工业级原料，不仅产品成本高，而且不易成型，产品成品率低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，采用天然矿物-金属铝粉-金属硅粉-氟化铝为原料体系，以便通过原位合成方式引入塞隆晶须和刚玉，从而获得高性能、低成本的塞隆晶须- 刚玉复合陶瓷材料。本发明的另一目的在于提供上述利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法和制得的产品。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂；所述基料的原料组成为铝硅酸盐矿物60～80wt％、金属铝粉10～30 wt％、金属硅粉5～20wt％、氟化铝1～3wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12 wt％。
进一步地，本发明所述铝硅酸盐矿物为天然高岭土、球土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土的一种、二种或三种组合。所述铝硅酸盐矿物的粒度为80～325目，金属铝粉的粒度为100～700目，金属硅粉为100～700目。所述结合剂为水、糊精、废纸浆液、浓度5wt％的PVA溶液。
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天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述基料按照配比混合后，加入结合剂混合均匀，经搅拌、困料后，进行压制成型、干燥，得到生坯；
(2)将所述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在1200℃以下为真空烧成，在1200℃以上为氮气氛烧结，最终在1350～1600℃氮气氛下烧成1～3h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
进一步地，本发明制备方法所述步骤(1)干燥后的生坯其水分含量＜1％。
本发明提供的利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法制得的产品。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用天然铝硅酸盐矿物-金属铝粉-金属硅粉-氟化铝的原料体系，采用铝粉、氟化铝与矿物的氧化铝合成Al2O和AlOF气相，金属硅原位与矿物的二氧化硅反应生成SiO气相产物，Al2O、AlOF、SiO气相产物与氮气反应原位生成大量塞隆晶须；由于铝硅酸盐矿物中的二氧化硅在烧成过程中还被铝粉不断置换反应生成金属硅而消失，剩余的氧化铝则原位合成得到刚玉。由于原位合成的塞隆晶须可均匀地分布在刚玉颗粒之间，从而有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题，极大地提高了塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的性能。
(2)本发明主要使用的是天然矿物，其中，球土和高岭土具有良好的塑性，有助于提高成型性能，从而能够显著提高产品的成品率；并且，所用天然矿物具有储量大、分布广、价格低廉等优势，有助于降低产品成本。所用的金属铝粉具有较低的熔点，可在较低的烧成温度形成液相分散在坯体中，不仅有利于材料烧结，同时也有利于解决性能不均的问题。
(3)本发明采用真空-氮气氛两段式烧结，有效地避免了由于升温过程中铝粉、硅粉在低温段与氮气反应合成氮化铝和氮化硅，致使铝粉和硅粉等还原剂的含量减少，所带来的对Al2O和SiO等合成塞隆晶须气相生成率的影响。
(4)本发明原位合成的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，抗热震性能好、烧成收缩低、机械强度高，其主要性能指标如下：天然矿物添加量≥50％、烧成收缩＜2％、热导率＞10W/(m·K)、抗弯强度≥40MPa、1100℃～室温抗热震循环30次不开裂、 1400℃下保温1h不软化不变形。
(5)本发明原料易得、工艺简单、烧成温度低，并且对于提高刚玉基陶瓷材料的品质、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塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的X射线衍射图谱；
图2是本发明实施例所制得的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料中塞隆晶须的透射电子像。
具体实施方式
实施例一：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物64wt％(其中红柱石(粒度80目)34wt％、高岭土(粒度250目)30wt％)、金属铝粉(粒度180目)30wt％、金属硅粉(粒度100目)5wt％、氟化铝1wt％。结合剂为水和浓度5wt％的PVA溶液(按照质量比1∶1)混合而成，其用量为基料的8wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1450℃氮气氛下烧成为2h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例二：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物60wt％(其中球土(粒度325目)10wt％、铝矾土(粒度180目)50wt％)、金属铝粉(粒度100目)17wt％、金属硅粉(粒度 700目)20wt％、氟化铝3wt％。结合剂由水和糊精(按照质量比1∶1)混合而成，其用量为基料的6wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1500℃氮气氛下烧成为2h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例三：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物75wt％(其中高岭土(粒度250目)35wt％、红柱石(粒度100目)40wt％)、金属铝粉(粒度700目)13wt％、金属硅粉(粒度325目)10wt％、氟化铝2wt％。结合剂为废纸浆液，其用量为基料的6wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1550℃氮气氛下烧成为2h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例四：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物80wt％(其中蓝晶石(粒度120目)40wt％、硅线石(粒度120目)25wt％、高岭土(粒度325目)15wt％)、金属铝粉(粒度 325目)14wt％、金属硅粉(粒度325目)5wt％、氟化铝1wt％。结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1600℃氮气氛下烧成为1h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例五：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物80wt％(其中高岭土(粒度250目)40wt％、蓝晶石(粒度180目)30wt％、球土(粒度325目)10wt％)、金属铝粉(粒度325 目)10wt％、金属硅粉(粒度325目)7wt％、氟化铝3wt％。结合剂由水和废纸浆液(按照质量比1∶1)混合而成，其用量为基料的8wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1580℃氮气氛下烧成为1h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例六：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物70wt％(其中高岭土(粒度250目)50wt％、硅线石(粒度180目)20wt％)、金属铝粉(粒度325目)24wt％、金属硅粉(粒度325目)5wt％、氟化铝1wt％。结合剂为水，其用量为基料的12wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1400℃氮气氛下烧成为1h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
实施例七：
1、本实施例一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，包括基料和结合剂。其中：
基料的原料组成为铝硅酸盐矿物70wt％(其中硅线石(粒度250目)50wt％、铝矾土(粒度180目)10wt％、高岭土(粒度325目)10wt％)、金属铝粉(粒度 700目)15wt％、金属硅粉(粒度325目)13wt％、氟化铝2wt％。结合剂为浓度5 wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。
2、本实施例利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述基料按照配比混合后，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，得到生坯(入窑水分＜1％)；
(2)将上述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在真空升温至1200℃，然后在1200℃通入氮气，并升温至1560℃氮气氛下烧成为2h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
如图1所示，本发明实施例制得的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，晶相只有塞隆和刚玉两种。如图2所示，本发明实施例制得的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，塞隆晶须分布在刚玉之间，能够起到提高热导率、抗折强度和抗热震性能的作用。

Claims (7)

1.一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，其特征在于：包括基料和结合剂；所述基料的原料组成为铝硅酸盐矿物60～80wt％、金属铝粉10～30wt％、金属硅粉5～20wt％、氟化铝1～3wt％；所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。
2.根据权利要求1所述的利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，其特征在于：所述铝硅酸盐矿物为天然高岭土、球土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土的一种、二种或三种组合。
3.根据权利要求1所述的利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，其特征在于：所述铝硅酸盐矿物的粒度为80～325目，金属铝粉的粒度为100～700目，金属硅粉为100～700目。
4.根据权利要求1所述的利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料，其特征在于：所述结合剂为水、糊精、废纸浆液、浓度5wt％的PVA溶液。
5.权利要求1-4之一所述利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：
(1)将所述基料按照配比混合后，加入结合剂混合均匀，经搅拌、困料后，进行压制成型、干燥，得到生坯；
(2)将所述生坯进行真空-氮气氛两段式烧结，即在1200℃以下为真空烧成，在1200℃以上为氮气氛烧结，最终在1350～1600℃氮气氛下烧成1～3h；然后自然冷却至室温，即制得塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料。
6.根据权利要求5所述的利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)干燥后的生坯其水分含量＜1％。
7.权利要求5或6所述利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料的制备方法制得的产品。
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