一種高純莫來(lái)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(lái)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(lái)石陶瓷塊體材料。本發(fā)明制備過(guò)程操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好,混料和反應(yīng)均勻,同時(shí)制備時(shí)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(gè)方面。
【專利說(shuō)明】
一種高純莫來(lái)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(lái)石陶瓷塊體材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]莫來(lái)石的化學(xué)計(jì)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(jià)值的天然莫來(lái)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(cuò)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(lái)石粉體。
[0003]最常見的合成莫來(lái)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(lái)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(lái)石陶瓷方法包括制備莫來(lái)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(lái)石的組成按化學(xué)計(jì)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(shí)后得到莫來(lái)石粉體,用體積濃度為13 %的氫氟酸洗滌2h,通過(guò)濾紙過(guò)濾后,得到高純莫來(lái)石粉末(專利公開號(hào):CN103848632A)。王玉成等人發(fā)明了一種細(xì)晶莫來(lái)石的制備方法(專利公開號(hào):CN104529421A),通過(guò)溶膠-凝膠法制備莫來(lái)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(shí)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(lái)石陶瓷。李博文公開了一種高強(qiáng)度莫來(lái)石陶瓷的制備方法(專利公開號(hào):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)嚢瑁蛊涑蔀榫鶆虻哪嗔?,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(lái)說(shuō),莫來(lái)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(duì)莫來(lái)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(lái)石陶瓷塊體材料的制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:一種高純莫來(lái)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(guò)液相反應(yīng)法在AI2O3粉體表面均勾包覆Si02納米膜,通過(guò)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(guò)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(guò)程中S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來(lái)石,反方程式為:
[0009]3Al203+2Si02—Al6Si20i3(3Al203.2Si02);
[0010](3)將制備的莫來(lái)石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨,得到莫來(lái)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(wú)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(shí)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(gè)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(lái)石陶瓷塊體用超聲波清洗機(jī)對(duì)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(jiǎn)單、再現(xiàn)性高的制備莫來(lái)石陶瓷塊體材料的方法,通過(guò)包覆實(shí)現(xiàn)S12和Al2O3的均勻分散,并且操作簡(jiǎn)單、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間;在燒結(jié)制備時(shí)升溫速度快、燒結(jié)溫度低、晶粒均勻,通過(guò)原位反應(yīng)獲得莫來(lái)石陶瓷材料,能源及成本低等;制備的莫來(lái)石純度高,且通過(guò)S12包覆量的不同,易于實(shí)現(xiàn)莫來(lái)石-氧化鋁或者莫來(lái)石-二氧化硅等符合材料的制備。本發(fā)明制備的莫來(lái)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(shuō)明】
[0020]圖1(a)為實(shí)施例5的XRD圖譜,表明在此溫度下未能生成莫來(lái)石陶瓷材料,燒結(jié)溫度1200 °C ;圖1 (b)為實(shí)施例2中獲得的莫來(lái)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(lái)石陶瓷材料;
[0021 ]圖2為實(shí)施例2中獲得的莫來(lái)石陶瓷斷口 SEM表面形貌圖;
[0022 ]圖3為實(shí)施例5中的樣品斷口 SEM形貌圖(對(duì)比實(shí)施例),表明粉體未發(fā)生充分燒結(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過(guò)具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0024]實(shí)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為800C/min,燒結(jié)溫度為1500°C,保溫時(shí)間為1min,燒結(jié)壓力為80MPa。將制備的莫來(lái)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(lái)石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗,用鼓風(fēng)干燥箱干燥,獲得莫來(lái)石陶瓷塊體材料。
[0026]實(shí)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為100°C/min,燒結(jié)溫度為1500 V,保溫時(shí)間為5min。將制備的莫來(lái)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(lái)石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗,用鼓風(fēng)干燥箱干燥,獲得莫來(lái)石陶瓷塊體材料。得到的莫來(lái)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(lái)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(shí)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為1200C/min,燒結(jié)溫度為1400V,保溫時(shí)間為8min。將制備的莫來(lái)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(lái)石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗,用鼓風(fēng)干燥箱干燥,獲得莫來(lái)石陶瓷塊體材料。
[0030]實(shí)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為100°C/min,燒結(jié)溫度為1500 V,保溫時(shí)間為8min。將制備的莫來(lái)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(lái)石陶瓷用超聲波清洗機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗,用鼓風(fēng)干燥箱干燥,獲得莫來(lái)石陶瓷塊體材料。
[0032]實(shí)施例5(與實(shí)施例2的對(duì)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為100 °C /min,燒結(jié)溫度為1200 V,保溫時(shí)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(duì)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(shí)施例5的XRD圖譜,表明在此溫度下未能生成莫來(lái)石陶瓷材料,圖1 (b)為實(shí)施例2中獲得的莫來(lái)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(lái)石陶瓷材料。說(shuō)明燒結(jié)溫度對(duì)于高純度的莫來(lái)石陶瓷材料的制備非常重要。
[0034]實(shí)施例6(與實(shí)施例2的對(duì)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(guò)滴加TEOS溶液,同時(shí)磁力攪拌,實(shí)現(xiàn)S12在Al2O3粉體表面的包覆,反應(yīng)時(shí)間為2h。將粉體烘干過(guò)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(lái)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(shí)升溫速率為100 °C /min,燒結(jié)溫度為1500 V,保溫時(shí)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(duì)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(shuō)明延長(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)于高純度的莫來(lái)石陶瓷材料的制備非常重要。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高純莫來(lái)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(guò)液相反應(yīng)法在AI2O3粉體表面均勾包覆Si02納米膜,通過(guò)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(guò)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(guò)程中S12膜和Al2O3發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來(lái)石,反方程式為:3Al203+2Si02^Al6Si20i3(3Al203.2Si02); (3)將制備的莫來(lái)石陶瓷塊體先用拋光機(jī)打磨,得到莫來(lái)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(wú)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(shí)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(gè)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(lái)石陶瓷塊體用超聲波清洗機(jī)對(duì)其進(jìn)行清洗,用鼓風(fēng)干燥箱干燥。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK106064936SQ201610369504
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日 公開號(hào)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(qǐng)人】河海大學(xué)