專利名稱：：堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成的制備方法，屬于復(fù)相陶瓷材料制備領(lǐng)域。技術(shù)背景堇青石(Cordierite)具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化裝置、耐熱涂層、催化劑載體、熱交換機材料、泡沫陶瓷、電子封裝材料、印刷電路板等，以及一些冷熱驟變的環(huán)境中，比如陶瓷換熱器、熱風爐、支柱磚、匣體，棚板等等。但由于堇青石機械強度不高、荷重軟化點低、合成溫度范圍窄，用傳統(tǒng)方法如果不采用偏離堇青石組成或添加燒結(jié)助劑的方法，較難獲得純相堇青石，從而限制了它的優(yōu)良性能的發(fā)揮。莫來石(Mullite)是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，具有高溫性能優(yōu)良，荷重軟化點高，機械強度高等優(yōu)點，但其熱膨脹系數(shù)相對較大，且因其主要為共價鍵化合物，原子在低溫下的體擴散速度較慢，傳統(tǒng)燒結(jié)致密化溫度較高，一般都在15501600°C?？梢?，堇青石熱膨脹系數(shù)低，抗熱震性好，但高溫性能一般，機械強度不高，而莫來石高溫性能優(yōu)良，機械強度高，但抗熱震性不好。因此，為兼顧材料的高溫性能、機械強度及抗熱震性能，將堇青石和莫來石進行復(fù)合是提高材料性能的有效措施。制備堇青石-莫來石復(fù)合物有多種不同的方法。一種是以液體化學(xué)試劑或溶膠為原料，通過溶膠凝膠法(濕化學(xué)反應(yīng)法)來制備堇青石-莫來石粉體[M.G.M.U.Ismail,J.Am.Ceram.Soc.73(3)(1990)537-543;]。這種方法的優(yōu)點是產(chǎn)品純度高，顆粒細小且均勻，反應(yīng)活性高，可以大大降低燒結(jié)溫度。但所用原料大多數(shù)為有機化合物，有些還是對健康有害的，需加以防護，且成本太高，處理過程復(fù)雜，時間較長。另一種方法是將堇青石和莫來石中的一種或兩種與礦物原料、工業(yè)原料等進行混合然后燒結(jié)，從而制取堇青石-莫來石復(fù)合物[專利號ZL200610037794.4;專利號ZL200510101941.5]，這種方法需要已合成的堇青石或莫來石，不可避免的存在成本提高問題，且合成的堇青石-莫來石復(fù)合物中往往還含有不少的其它晶相。本發(fā)明擬提出一種堇青石-莫來石復(fù)相材料原位反應(yīng)燒成的制備方法。本發(fā)明提供的方法完全以礦物及工業(yè)原料為主，不需要添加堇青石或莫來石熟料，通過混合、燒成等常規(guī)工藝在較低的燒成溫度下得到高純度堇青石-莫來石復(fù)相材料，其中的堇青石相和莫來石相具有良好的晶體形態(tài)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種堇青石-莫來石復(fù)相材料原位燒成的制備方法，它是以低廉的原料、簡單的工藝合成高純度的堇青石-莫來石復(fù)相材料。本發(fā)明采用的技術(shù)方案(1)選取高嶺土、滑石和工業(yè)氧化鋁為主要原料，它們的質(zhì)量配比為高嶺土4560%，滑石0.538%，工業(yè)氧化鋁1244%。在上述混合料中外加五氧化二釩助劑的質(zhì)量百分數(shù)為0.56%，混勻。選用不同的原料配比可以得到堇青石、莫來石百分比含量不同的復(fù)相材料。本發(fā)明所提供的堇青石-莫來石復(fù)相材料中莫來石的質(zhì)量百分含量為95。%-5%，余量為堇青石；作為最佳實施方式是在復(fù)合材料中莫來石的含量為20wt%、40wt%、60wt%、80wt%，余量為堇青石。五氧化二釩作為礦化劑可以降低莫來石的合成溫度。在本發(fā)明中，五氧化二釩助劑的加入不僅可以降低莫來石的合成溫度，而且可以促進復(fù)相材料中莫來石晶體的生長，有利于復(fù)相材料機械性能和抗熱震性的提高。(2)在步驟(l)混好的配料中添加質(zhì)量百分數(shù)為710%的甲基纖維素溶液(以質(zhì)量百分濃度為2%的甲基纖維素溶液的形式加入)，混勻后壓制成型，干壓壓制壓力為13MPa。(3)將加有0.5-6wtQ/。五氧化二釩助劑的成型坯體室溫(18-25°C)燒至9501050°C，升溫速率為200400°C/h，保溫0.51.5小時，促進晶核的形成；再以80150。C/h的升溫速率升溫至12001300°C，保溫0.51.5小時，促進堇青石的形成；繼續(xù)以5015(TC/h的速率升溫至1380146(TC，保溫36小時，促進莫來石、堇青石晶體生長，保溫結(jié)束后隨爐自然冷卻。5將不加五氧化二釩助劑的成型坯體由室溫升溫至13801460°C，升溫過程分五段進行，五段的溫度分別為1000°C、1100°C、1200°C、130(TC和最后1380-1460°C，這五段的升溫速率依次為200400°C/h、100200°C/h、2060°C/h、60150°C/h、2060°C/h，并于13801460。C保溫36h，自然冷卻。測試分析利用X射線衍射分析可知，在本發(fā)明所述的工藝下合成的堇青石-莫來石復(fù)相材料非常純，XRD圖中只有堇青石和莫來石相的衍射峰(見附圖14)。利用SEM斷面形貌分析可以看出，晶體形貌為典型的針狀或條柱狀晶體(莫來石)以及短棒狀或粒狀晶體(堇青石)。原料中外加五氧化二釩助劑燒結(jié)的復(fù)相材料；晶體發(fā)育相對更好、形態(tài)分明，相互交錯密集牛長(見附圖58)。材料開口氣孔率、體積密度采用阿基米德法測定。強度采用三點抗彎強度來表征?？篃嵴鹦栽囼灧椒▽⒑铣傻妮狼嗍?莫來石條狀塊體置于IOO(TC的爐體內(nèi)，保溫30min，迅速取出并立即置于水中(室溫)，即為第一次熱震。將塊體從水中取出烘干后重新放入100(TC的爐體內(nèi)，保溫30min，取出并立即置于水中(室溫)，即為第二次熱震，依次類推重復(fù)上述過程，并測試熱震后材料的剩余強度。本發(fā)明所合成的堇青石-莫來石復(fù)相材料的強度高，抗熱震性好(見實例14)，且工藝簡單，成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。在復(fù)合材料中堇青石和莫來石晶體發(fā)育良好、形態(tài)分明。圖1:實施例2所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的XRD圖；圖2:實施例3所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的XRD圖；圖3:實施例2(不加五氧化二釩助劑)所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的XRD圖；圖4:實施例3(不加五氧化二釩助劑)所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的XRD圖；圖5:實施例2所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的斷面形貌圖；圖6:實施例3所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的斷面形貌圖；圖7:實施例2(不加五氧化二釩助劑)所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的斷面形貌圖；圖8:實施例3(不加五氧化二釩助劑)所得堇青石-莫來石復(fù)相材料的斷面形貌圖。具體實施方式實例14(莫來石理論含量分別為20°/。、40%、60%、80%，堇青石理論含量分別為80%、60%、40%、20%).主要原料選取及成分分析見表1。表1原料化學(xué)組成分析結(jié)果(wt%)^fr^^:sio2ai2o3MgOp205Fe203CaONa20K20Ti02高嶺土53.945.2一0.020.180.18—0.050.44工業(yè)氧化鋁0.1099.7——0.010.030.040.110.01一滑石64.10.6633.00.230.820.730.06—0.03按下表2所示配制原料。表2原料配比高嶺土工業(yè)氧化鋁滑石五氧化二釩實施例151.118.730.20.8實施例252.424.922.61.6實施例353.831.115.12.4實施例455.137.47.53.2在混好的配料中加入質(zhì)量百分數(shù)為8%的粘結(jié)劑(以質(zhì)量百分濃度為2%的甲基纖維素溶液的形式加入)，2MPa下機壓成條狀坯體。以30(TC/h的升溫速度從室溫升至1000°C，保溫lh，再以100°C/h的升溫速度升至1250°C，保溫lh，繼續(xù)以100。C/h的升溫速度升至140(TC，保溫4h，自然隨爐冷卻，制得堇青石-莫來石復(fù)相材料。若配料中不添加五氧化二釩，僅將高嶺土、工業(yè)氧化鋁、滑石按表2所7示比例混合，在混好的配料中加入質(zhì)量百分數(shù)為8%的粘結(jié)劑(以質(zhì)量百分濃度為2%的甲基纖維素溶液的形式加入)，2MPa下機壓成條狀坯體。以300°C/h的升溫速度從室溫升至IOO(TC，再以150°C/h的升溫速度升至100°C，繼續(xù)以40°C/h的升溫速度升至1200°C，以100°C/h的升溫速度升至130(TC，以4(TC/h的升溫速度升至1420°C，保溫4h，自然隨爐冷卻，同樣可制得堇青石-莫來石復(fù)相材料。實施例2所得復(fù)相材料的XRD圖、SEM圖分別為附圖1和附圖5。實施例3所得復(fù)相材料的XRD圖、SEM圖分別為附圖2和附圖6。按實施例2的配比，不加助劑所得復(fù)相材料的XRD圖、SEM圖分別為附圖3和附圖7。按實例3的配比，不加助劑所得復(fù)相材料的XRD圖、SEM圖分別為附圖4和附圖8。材料其他性能見表3，表4。表3材料性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表4材料性能(不加五氧化二釩助劑)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于是以高嶺土、滑石和工業(yè)氧化鋁為原料，按復(fù)相材料中莫來石和堇青石組成的氧化物配料，采用分段升溫和保溫的原位燒成方法制備的；具體制備步驟采用下述兩種方法中的任一種A.(a)按堇青石-莫來石復(fù)相材料中堇青石和莫來石組成的氧化物配料；(b)在步驟a的配料中外加五氧化二釩助劑，加入質(zhì)量百分數(shù)為0.5-6％混勻；(c)在步驟b混好的料中添加質(zhì)量百分數(shù)為7-10％的甲基纖維素溶液，混勻后干壓壓制成型；(d)采用分段升溫和保溫原位燒成，具體是(1)按200-400℃/h的升溫速率升到950-1050℃；(2)按80-150℃/h的升溫速率升到1200-1300℃；(3)按50-150℃/h的升溫速率升到1380-1460℃，保溫3-6h，結(jié)束后隨爐自然冷卻；B.(a)按堇青石-莫來石復(fù)相材料中堇青石和莫來石組成的氧化物配料；(b)在步驟a配料混勻的基礎(chǔ)上添加質(zhì)量百分數(shù)為7-10％甲基纖維素溶液，混勻后干壓壓制成型；(c)采用分段升溫和保溫的原位燒成，具體是(1)以200-400℃/h的升溫速率室溫升至1000℃；(2)接著以100-200℃/h的升溫速率升至1100℃；(3)接著以20-60℃/h的升溫速率升至1200℃；(4)再以60-150℃/h的升溫速率升至1300℃；(5)最后以20-60℃/h的升溫速率室溫升至1380-1460℃，保溫3-6h，保溫結(jié)束后隨爐自然冷卻。2、按權(quán)利要求1所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于所述的原料的各組成的質(zhì)量百分含量為Si02A1203MgOP205Fe203CaONa20K20Ti02(1.高嶺土53.945.2—0.020.180.18—0.050.44;(2.工業(yè)氧化鋁0.1099.7—0.010.030.040.110.01—；(3.滑石64.10.6633.00.230.820.730.06—0.03;以上各組成的總量為100%。3、按權(quán)利要求1所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于所述的復(fù)相材料中堇青石的質(zhì)量百分含量為95%-5%，余量為莫來石。4、按權(quán)利要求3所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于所述的復(fù)相材料中堇青石質(zhì)量百分含量為80%、60%、40%和20%，莫來石的質(zhì)量百分含量為20%、40%、60%和80%。5、按權(quán)利要求4所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于所述的復(fù)相材料，使用的原料和外加五氧化二釩的配比質(zhì)量百分組成為高嶺土工業(yè)氧化鋁滑石五氧化二釩80%堇青石-20%莫來石51.118.730.20.8;60%堇青石-40%莫來石52.424.922.61.6;40%堇青石-60%莫來石53.831.115.12.4;20%堇青石-80%莫來石55.137.47.53.2。6、按權(quán)利要求1所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于A方法中步驟c和B方法中步驟b中所述的甲基纖維素溶液是以質(zhì)量百分濃度為2%的甲基纖維素溶液的形式加入的。7、按權(quán)利要求1所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于干壓壓制成型的壓力為l-3Mpa。8、按權(quán)利要求1所述的堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，其特征在于方法A的步驟d中(1)和(2)保溫的時間均為0.5-1.5小時。全文摘要本發(fā)明涉及一種堇青石-莫來石復(fù)相材料的原位反應(yīng)燒成制備方法，屬于復(fù)相陶瓷材料的制備領(lǐng)域。其特點是以高嶺土、滑石、工業(yè)氧化鋁及添加少量助劑(或不添加燒結(jié)助劑)為原料，采用分段升溫和保溫的原位反應(yīng)燒成方法，生成包含堇青石和莫來石晶相的復(fù)合材料。在該復(fù)合材料中，堇青石和莫來石晶體發(fā)育良好、形態(tài)分明。復(fù)合材料具有抗彎強度高、抗熱沖擊性能優(yōu)良等特點。文檔編號C04B35/622GK101519304SQ200910046368公開日2009年9月2日申請日期2009年2月19日優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日發(fā)明者席紅安,勤李,溫海琴,王若釘申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所