一種高純莫來石陶瓷材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高純莫來石陶瓷及復(fù)合材料的制備方法，包括采用溶液反應(yīng)法于乙醇溶液中在氧化鋁粉體表面包覆SiO2納米層，代替機(jī)械球磨等混料方式，干燥后進(jìn)行預(yù)壓；然后，在氬氣氣氛中于SPS燒結(jié)爐1400?1500℃中燒結(jié)5?10min。之后，將燒結(jié)后的致密樣品進(jìn)行打磨，最后得到莫來石陶瓷塊體材料。本發(fā)明制備過程操作簡單、重復(fù)性好，混料和反應(yīng)均勻，同時制備時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻，能源及成本低，可以用于耐火材料、高溫工程材料、電子封裝材料及光學(xué)材料等多個方面。
【專利說明】
一種高純莫來石陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體地涉及一種高純莫來石陶瓷塊體材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]莫來石的化學(xué)計量式為3A1203.2Si02，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在氫氟酸中都不溶解，具有統(tǒng)一的熱膨脹系數(shù)、良好的抗熱震性能、高的荷重軟化點(diǎn)、高耐火度、低蠕變、高硬度和良好的抗化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，使其在高溫耐火材料、電子封裝材料、光學(xué)材料及介電和高溫保護(hù)涂層方面得到重要的應(yīng)用。由于具有經(jīng)濟(jì)價值的天然莫來石在地殼中非常稀少，需要從天然原料或工業(yè)原料合成，包括高招鞏土、娃線石族礦物、焦寶石、高嶺土、黏土、錯石及娃石等，工業(yè)原料有工業(yè)氧化鋁、C1-Al2O3微粉、氫氧化鋁等，研究者也在研究采用溶膠-凝膠以及共沉淀等方法輔之高溫煅燒，預(yù)先獲得莫來石粉體。
[0003]最常見的合成莫來石陶瓷塊體材料的方法主要有電熔法和燒結(jié)法兩種。電熔法合成莫來石是將一定配比的配料在電弧爐內(nèi)熔融、冷卻結(jié)晶而得到。而燒結(jié)法生產(chǎn)莫來石陶瓷方法包括制備莫來石粉體-高溫?zé)Y(jié)或者固相反應(yīng)燒結(jié)等。程慶發(fā)明了一種反應(yīng)燒結(jié)方法，以粉煤灰為主要原料，添加適量的Al2O3,采用行星球磨機(jī)，球料重量比為15:1，將烘干的粉煤灰和Al2O3以莫來石的組成按化學(xué)計量裝入球磨罐內(nèi)，粉磨40h后取樣制成圓形壓片，在2000 0C下煅燒3小時后得到莫來石粉體，用體積濃度為13 %的氫氟酸洗滌2h，通過濾紙過濾后，得到高純莫來石粉末(專利公開號:CN103848632A)。王玉成等人發(fā)明了一種細(xì)晶莫來石的制備方法(專利公開號:CN104529421A)，通過溶膠-凝膠法制備莫來石前驅(qū)體粉，然后利用放電等離子燒結(jié)爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為14000C，溫度達(dá)到1150°C時開始加壓，壓力為80MPa，升溫速率大于90°C/min;在燒結(jié)后期，在適當(dāng)溫度點(diǎn)開始降低升溫速率，制備出晶粒細(xì)小的莫來石陶瓷。李博文公開了一種高強(qiáng)度莫來石陶瓷的制備方法(專利公開號:CN1226536A)，以藍(lán)晶石族礦物(包括藍(lán)晶石、紅柱石、硅線石三種同質(zhì)異礦物)微粉(<20?30μπι，60?85%)與氧化鋁粉(10?2(^111，10?25%)、結(jié)合粘土(<8(^111，5?15%)、粘結(jié)劑(8?12%)混合并充分?jǐn)嚢?，使其成為均勻的泥料，再用高壓成型設(shè)備或手工搗打方法制成泥坯，然后在100?110°C烘干24h以上，或自然風(fēng)干2天以上，最后將泥坯升溫至1300?1430 °C燒成(恒溫2h)0
[0004]總體來說，莫來石陶瓷材料的合成溫度高、合成晶粒粗大純度低、步驟也較復(fù)雜，純度較低，后續(xù)的高溫處理比較麻煩，固相反應(yīng)合成法制備的材料純度不高，通常含有殘余的石英和CtAl2O3等雜質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對莫來石陶瓷材料的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種高致密度、結(jié)構(gòu)均勻且制備成本低的高純莫來石陶瓷塊體材料的制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:一種高純莫來石陶瓷塊體材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)將Al2O3粉體分散于有機(jī)溶劑介質(zhì)中，以正硅酸乙酯為原料，氨水作為催化劑，通過液相反應(yīng)法在AI2O3粉體表面均勾包覆Si02納米膜，通過調(diào)整正娃酸乙酯添加量控制S12納米膜厚度。離心分離后，將粉體烘干過篩；
[0008](2)將步驟(I)得到的混合粉體裝入模具內(nèi)，進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)過程中S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石，反方程式為:
[0009]3Al203+2Si02—Al6Si20i3(3Al203.2Si02)；
[0010](3)將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨，得到莫來石陶瓷塊體材料。
[0011 ] 優(yōu)選的，步驟(I)中,Al2O3粉體粒度為80?200nm。
[0012]步驟(I)中，所述有機(jī)溶劑介質(zhì)為無水乙醇或甲醇溶液。
[0013]步驟(I)中，所包覆的S12納米層厚度為5?20nm，在所得復(fù)合粉體中的重量含量為 27.9%。
[0014]步驟(I)中，液相反應(yīng)體系的pH值控制在8-10。
[0015]步驟(2)中，放電等離子體燒結(jié)的升溫速度為80-120°C/min，燒結(jié)溫度為1400-1500 0C，保溫時間為5-1 Omin。進(jìn)一步優(yōu)選地，燒結(jié)溫度為1500 V。
[0016]步驟(2)中，在進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)之前加壓至60-100MPa并保持，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力。
[0017]步驟(2)中，放電等離子體燒結(jié)的燒結(jié)氣氛為Ar氣，約0.5-0.7個大氣壓。
[0018]優(yōu)選地，步驟(3)中，在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，用碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷塊體用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥。
[0019]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種操作簡單、再現(xiàn)性高的制備莫來石陶瓷塊體材料的方法，通過包覆實現(xiàn)S12和Al2O3的均勻分散，并且操作簡單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間；在燒結(jié)制備時升溫速度快、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻，通過原位反應(yīng)獲得莫來石陶瓷材料，能源及成本低等；制備的莫來石純度高，且通過S12包覆量的不同，易于實現(xiàn)莫來石-氧化鋁或者莫來石-二氧化硅等符合材料的制備。本發(fā)明制備的莫來石陶瓷及復(fù)合材料可作為高溫耐火材料、電子封裝材料、光學(xué)材料及介電等使用。
【附圖說明】
[0020]圖1(a)為實施例5的XRD圖譜，表明在此溫度下未能生成莫來石陶瓷材料，燒結(jié)溫度1200 °C ;圖1 (b)為實施例2中獲得的莫來石陶瓷XRD圖譜，燒結(jié)溫度1500 °C，表明在1500 °C燒結(jié)溫度條件下制備出了高純度的莫來石陶瓷材料；
[0021 ]圖2為實施例2中獲得的莫來石陶瓷斷口 SEM表面形貌圖；
[0022 ]圖3為實施例5中的樣品斷口 SEM形貌圖(對比實施例)，表明粉體未發(fā)生充分燒結(jié)。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0024]實施例1
[0025]取平均粒度80nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為8，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至60MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為800C/min，燒結(jié)溫度為1500°C，保溫時間為1min，燒結(jié)壓力為80MPa。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得莫來石陶瓷塊體材料。
[0026]實施例2
[0027]取平均粒度10nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為10，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放點(diǎn)等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至10MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為100°C/min，燒結(jié)溫度為1500 V，保溫時間為5min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得莫來石陶瓷塊體材料。得到的莫來石陶瓷的XRD圖譜如圖1(b)所示，SEM圖如圖2所示，表明在燒結(jié)溫度1500°C條件下制備的莫來石陶瓷材料晶粒較細(xì)，分布均勻，未見到明顯的孔隙等缺陷。
[0028]實施例3
[0029]取平均粒度200nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為9，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放點(diǎn)等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至10MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為1200C/min,燒結(jié)溫度為1400V，保溫時間為8min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得莫來石陶瓷塊體材料。
[0030]實施例4
[0031 ] 取平均粒度10nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放點(diǎn)等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至80MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為100°C/min，燒結(jié)溫度為1500 V，保溫時間為8min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得莫來石陶瓷塊體材料。
[0032]實施例5(與實施例2的對比例)
[0033]取平均粒度10nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為10，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放點(diǎn)等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至10MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為100 °C /min，燒結(jié)溫度為1200 V，保溫時間為5min。將制備的塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的樣品用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得塊體材料。圖1(a)為實施例5的XRD圖譜，表明在此溫度下未能生成莫來石陶瓷材料，圖1 (b)為實施例2中獲得的莫來石陶瓷XRD圖譜，表明在1500 °C燒結(jié)溫度條件下制備出了高純度的莫來石陶瓷材料。說明燒結(jié)溫度對于高純度的莫來石陶瓷材料的制備非常重要。
[0034]實施例6(與實施例2的對比例)
[0035]取平均粒度10nm的Al2O3粉末5g，置于250ml乙醇中，然后用25wt %氨水將液相反應(yīng)體系的pH值調(diào)整為，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應(yīng)時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進(jìn)行放點(diǎn)等離子體燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石。燒結(jié)之前加壓至10MPa，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力，燒結(jié)時升溫速率為100 °C /min，燒結(jié)溫度為1500 V，保溫時間為Omin。將制備的塊體先用拋光機(jī)打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的樣品用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥，獲得塊體材料。燒結(jié)后獲得的材料具有較多孔隙，說明延長保溫時間對于高純度的莫來石陶瓷材料的制備非常重要。
【主權(quán)項】
1.一種高純莫來石陶瓷粉體材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將Al2O3粉體分散于有機(jī)溶劑介質(zhì)中，以正硅酸乙酯為原料，氨水作為催化劑，通過液相反應(yīng)法在AI2O3粉體表面均勾包覆Si02納米膜，通過控制正娃酸乙酯的含量調(diào)節(jié)納米層厚度，離心分離后，將粉體烘干過篩； (2)將步驟(I)得到的混合粉體裝入模具內(nèi)，進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)過程中S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來石，反方程式為:3Al203+2Si02^Al6Si20i3(3Al203.2Si02)； (3)將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨，得到莫來石陶瓷塊體材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，Al2O3粉體粒度為80?200nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，所述有機(jī)溶劑介質(zhì)為無水乙醇或甲醇溶液。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，所包覆的S12納米層厚度為5?20nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，液相反應(yīng)法的反應(yīng)體系的pH值控制在8-10。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，放電等離子體燒結(jié)的升溫速度為80-120 °C/min，燒結(jié)溫度為1400-1500 °C，保溫時間為5-1 Omin。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，在進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)之前加壓至60-100MPa并保持，一直到燒結(jié)結(jié)束去除壓力。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，放電等離子體燒結(jié)的燒結(jié)氣氛為Ar氣，約0.5-0.7個大氣壓。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，用碳紙將樣品上下面及側(cè)面打磨掉后，繼續(xù)打磨至塊體核心部位，然后將打磨后的莫來石陶瓷塊體用超聲波清洗機(jī)對其進(jìn)行清洗，用鼓風(fēng)干燥箱干燥。
【文檔編號】C04B35/622GK106064936SQ201610369504
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月30日 公開號201610369504.X, CN 106064936 A, CN 106064936A, CN 201610369504, CN-A-106064936, CN106064936 A, CN106064936A, CN201610369504, CN201610369504.X
【發(fā)明人】張建峰, 劉瑞婷, 李改葉, 趙春龍, 楊笑言
【申請人】河海大學(xué)