一種高紅外發射率陶瓷及其制備方法與流程

本發明涉及無機非金屬功能陶瓷材料領域，具體而言，涉及一種高紅外發射率陶瓷及其制備方法。

背景技術：

紅外輻射陶瓷材料是一種用途廣泛的新型功能材料，已在紅外輻射加熱節能領域得到成功應用。近年來，常溫下應用的紅外輻射陶瓷材料也引起了人們的廣泛關注，在醫療保健、新型建筑材料等領域有廣闊的應用前景。其中，堇青石具有熱膨脹系數低、介電常數低、介電損耗小、化學穩定性高等優點，作為一種天然礦物已得到廣泛研究，以其優良的紅外輻射性能而備受人們的重視。然而，在現有的多數堇青石體系紅外輻射材料中，普遍添加了過渡金屬氧化物，材料多為黑色或深色，限制了材料的應用范圍。

有鑒于此，特提出本發明。

技術實現要素：

富鎂冶金鎳渣是一種冶金工業固體廢棄物，其年產量大，利用率較低，逐年堆棄的鎳渣不僅占用土地，對渣場周圍環境造成嚴重污染，同時又造成資源的浪費。我國的鎳產量近幾年增長迅速，由此伴隨產生的鎳渣產量巨大，而目前這些鎳渣還不能得到合理有效的利用。經研究發現，富鎂冶金鎳渣中除了含有鎳、鐵、鈷等元素以外，其還包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，并且在鎳渣中占有較大比重，而SiO₂、Al₂O₃和MgO這些成分也是陶瓷的主要化學組成。

因此，本發明的目的在于提供一種高紅外發射率陶瓷，其以富鎂冶金鎳渣為原料，達到廢物利用的同時能夠在不額外添加過渡金屬氧化物的情況下具有高紅外發射率、顏色較淺、抗彎強度高等優點。

本發明的另一目的在于提供一種高紅外發射率陶瓷的制備方法，其以富鎂冶金鎳渣為原料，能夠實現廢物利用，并且對富鎂冶金鎳渣利用率高，而且制備工藝簡單、煅燒溫度低、操作方便。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種高紅外發射率陶瓷，制備高紅外發射率陶瓷的原料包括按重量百分比計的30－40％的富鎂冶金鎳渣、30－35％的Al₂O₃、25－32％的SiO₂、3－7％的Y₂O₃和2－5％的K₂CO₃。

一種高紅外發射率陶瓷的制備方法，制備方法包括：將按重量百分比計的30－40％的富鎂冶金鎳渣、30－35％的Al₂O₃、25－32％的SiO₂、3－7％的Y₂O₃和2－5％的K₂CO₃混合，造粒后制成陶瓷胚體，然后將陶瓷胚體進行煅燒。

本發明實施例的有益效果是：

本發明實施例的高紅外發射率陶瓷，以富鎂冶金鎳渣為原料，不需要額外添加過渡金屬氧化物，有效解決了現有鎳渣利用率低、制備的紅外輻射陶瓷材料顏色太深的問題。本發明實施例的高紅外發射率陶瓷具有紅外輻射率高、顏色較淺、力學性能優異的優點，其中，紅外輻射率可達到0.92，抗彎強度可達到80MPa。同時，本發明實施例添加Y₂O₃能夠進一步使陶瓷顏色變淺。

本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的制備方法，充分利用富鎂冶金鎳渣，對富鎂冶金鎳渣的利用率高達40％，具有利用率高、煅燒溫度低、操作方便等優點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的XRD衍射圖譜；

圖2為本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的掃描電鏡圖片。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。

本發明實施例的高紅外發射率陶瓷，其原料包括按重量百分比計的30－40％的富鎂冶金鎳渣、30－35％的Al₂O₃、25－32％的SiO₂、3－7％的Y₂O₃和2－5％的K₂CO₃。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，制備高紅外發射率陶瓷的原料包括按重量百分比計的32－35％的富鎂冶金鎳渣、30.2－30.5％的Al₂O₃、28.7－30.3％的SiO₂、3－6％的Y₂O₃和3－4％的K₂CO₃。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣來源于金屬鎳和鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的50－60％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的5－10％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的30－40％。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，高紅外發射率陶瓷在波長為1－22μm的波段內的紅外發射率為88－90％。

進一步地，在本發明較佳的實施例中，高紅外發射率陶瓷在波長為8－14μm的波段內的紅外發射率為90－92％。

本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的制備方法包括：

步驟1：原料混合

將富鎂冶金鎳渣在轉速為300－500轉/min的條件下球磨3－5h。球磨后，將按重量百分比計的30－40％的富鎂冶金鎳渣、30－35％的Al₂O₃、25－32％的SiO₂、3－7％的Y₂O₃和2－5％的K₂CO₃混合，獲得胚體原料。

進一步，優選地，將按重量百分比計的32－35％的富鎂冶金鎳渣、30.2－30.5％的Al₂O₃、28.7－30.3％的SiO₂、3－6％的Y₂O₃和3－4％的K₂CO₃混合。

本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的制備方法以富鎂冶金鎳渣為原料，能夠在不添加過渡金屬氧化物的前提下，利用富鎂冶金鎳渣中固有的鐵、錳、鎳等元素，以及鎳渣中所包含的SiO₂、Al₂O₃和MgO等可作為陶瓷組分的物質，來獲得高紅外發射率陶瓷，避免了現有的紅外發射陶瓷因加入過渡金屬氧化物而導致陶瓷顏色深的問題。同時，本發明實施例的制備方法還將作為工業廢物的富鎂冶金鎳渣變廢為寶，節約了生產成本，也有利于環保。而且，本發明實施例的制備方法還添加Y₂O₃，其作為原料之一，能夠進一步使陶瓷的顏色變淺，其與富鎂冶金鎳渣中固有的鐵、錳、鎳等深色元素，能夠在顏色上相互抵消，從而獲得淺色的高紅外發射率陶瓷，進而擴大高紅外發射率陶瓷的應用范圍。

步驟2：造粒

將胚體原料與添加劑混合，在造粒機中進行造粒。添加劑包括粘結劑、分散劑、消泡劑和潤滑劑。其中，粘結劑可以是聚乙烯醇或羧甲基纖維素，或者本領域中的其他常用粘結劑。分散劑可以是水玻璃、六偏磷酸鈉或碳酸鈉，或者本領域中的其他常用分散劑。消泡劑可以是醇類、酯類或表面活性劑，或者本領域中的其他常用消泡劑。潤滑劑可以是油酸、乳化石蠟或甘油，或者本領域中的其他常用潤滑劑。其中，潤滑劑可選擇性地添加。

在進行造粒時，可以按照本領域的常規工藝進行。

步驟3：制胚

將造粒后的胚體原料制成陶瓷胚體。優選地，制胚時的成形壓力為5－12MPa。在進行制胚時，也可以按照本領域的常規工藝進行。

步驟4：煅燒

將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以2－5℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至300－400℃，并保溫1－2h。然后，以3－5℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1200－1300℃，并保溫2－4h。本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的制備方法與現有的堇青石體系紅外輻射陶瓷相比，其煅燒溫度更低(制備現有的堇青石體系紅外輻射陶瓷的煅燒溫度為1300－1400℃)，降低了對設備的要求，節約了成本。煅燒結束后，將陶瓷隨爐溫將至室溫。

經過煅燒后，獲得的高紅外發射率陶瓷主要以堇青石相為主，其具有高紅外發射率。在波長為1－22μm的波段內，本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的紅外發射率為88－90％。在波長為8－14μm的波段內，本發明實施例的高紅外發射率陶瓷的紅外發射率為90－92％。同時，本發明實施例的高紅外發射率陶瓷在掃描電鏡下觀測到的結構致密，經過測試，其抗彎強度可達80MPa。

實施例1

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取32％富鎂冶金鎳渣、30.5％Al₂O₃、28.7％SiO₂、3.8％Y₂O₃和5％K₂CO₃，也即是，32g富鎂冶金鎳渣、30.5g Al₂O₃、28.7g SiO₂、3.8g Y₂O₃和5g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的55％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的8％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的30％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為400轉/min的條件下球磨4h。球磨后，將32g富鎂冶金鎳渣、30.5g Al₂O₃、28.7g SiO₂、3.8g Y₂O₃和5g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、水玻璃、表面活性劑、油酸混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為8MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以3.5℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至350℃，并保溫1.5h。然后，以4℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1250℃，并保溫3h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例2

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取32.8％富鎂冶金鎳渣、30.2％Al₂O₃、29.5％SiO₂、5.3％Y₂O₃和2.2％K₂CO₃，也即是，32.8g富鎂冶金鎳渣、30.2g Al₂O₃、29.5g SiO₂、5.3g Y₂O₃和2.2g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的50％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的5％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的40％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為300轉/min的條件下球磨5h。球磨后，將32.8g富鎂冶金鎳渣、30.2g Al₂O₃、29.5g SiO₂、5.3g Y₂O₃和2.2g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與羧甲基纖維素、六偏磷酸鈉、苯乙醇油酸酯、乳化石蠟混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為10MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以2℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至300℃，并保溫1h。然后，以3℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1200℃，并保溫2h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例3

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取33.6％富鎂冶金鎳渣、30.3％Al₂O₃、26.4％SiO₂、6.2％Y₂O₃和3.5％K₂CO₃，也即是，33.6g富鎂冶金鎳渣、30.3g Al₂O₃、26.4gSiO₂、6.2gY₂O₃和3.5g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于金屬鎳冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的50％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的5％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的32.5％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為400轉/min的條件下球磨4h。球磨后，將33.6g富鎂冶金鎳渣、30.3g Al₂O₃、26.4g SiO₂、6.2g Y₂O₃和3.5g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、碳酸鈉、表面活性劑、甘油混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為9MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以3.5℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至350℃，并保溫1.5h。然后，以4℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1250℃，并保溫3h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例4

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取32％富鎂冶金鎳渣、30.5％Al₂O₃、30.5％SiO₂、3％Y₂O₃和4％K₂CO₃，也即是，32g富鎂冶金鎳渣、30.5g Al₂O₃、30.5g SiO₂、3g Y₂O₃和4g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的55％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的10％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的30％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為500轉/min的條件下球磨4h。球磨后，將32g富鎂冶金鎳渣、30.5g Al₂O₃、30.5g SiO₂、3g Y₂O₃和4g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、水玻璃、表面活性劑、油酸混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為12MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以5℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至400℃，并保溫2h。然后，以5℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1300℃，并保溫4h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例5

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取30％富鎂冶金鎳渣、35％Al₂O₃、25％SiO₂、7％Y₂O₃和3％K₂CO₃，也即是，30g富鎂冶金鎳渣、35g Al₂O₃、25g SiO₂、7g Y₂O₃和3g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的60％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的5％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的30％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為400轉/min的條件下球磨4h。球磨后，將30g富鎂冶金鎳渣、35g Al₂O₃、25g SiO₂、7g Y₂O₃和3g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、水玻璃、表面活性劑、油酸混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為10MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以5℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至400℃，并保溫2h。然后，以5℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1300℃，并保溫4h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例6

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取40％富鎂冶金鎳渣、30％Al₂O₃、25％SiO₂、3％Y₂O₃和2％K₂CO₃，也即是，40g富鎂冶金鎳渣、30g Al₂O₃、25g SiO₂、3g Y₂O₃和2g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的58％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的6％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的32％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為500轉/min的條件下球磨3h。球磨后，將40g富鎂冶金鎳渣、30g Al₂O₃、25g SiO₂、3g Y₂O₃和2g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、水玻璃、表面活性劑、油酸混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為12MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以3℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至300℃，并保溫2h。然后，以5℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1200℃，并保溫4h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

實施例7

稱取100g高紅外發射率陶瓷的原料，按重量百分比計稱取30％富鎂冶金鎳渣、30％Al₂O₃、32％SiO₂、3％Y₂O₃和5％K₂CO₃，也即是，30g富鎂冶金鎳渣、30g Al₂O₃、32g SiO₂、3g Y₂O₃和5g K₂CO₃。其中，富鎂冶金鎳渣來源于鎳合金冶煉過程中排放的固體廢渣。在本發明較佳的實施例中，富鎂冶金鎳渣包括SiO₂、Al₂O₃和MgO，按重量百分比計，SiO₂占富鎂冶金鎳渣總量的58％，Al₂O₃占富鎂冶金鎳渣總量的6％，MgO占富鎂冶金鎳渣總量的32％，余量為鐵、錳、鎳等元素以及其他固體雜質。

本實施例的高紅外發射率陶瓷是按照以下方法制備的。

將富鎂冶金鎳渣在轉速為500轉/min的條件下球磨3h。球磨后，將30g富鎂冶金鎳渣、30g Al₂O₃、32g SiO₂、3g Y₂O₃和5g K₂CO₃混合，獲得胚體原料。將胚體原料與聚乙烯醇、水玻璃、表面活性劑、油酸混合，在造粒機中造粒。將造粒后的胚體原料在壓力為5MPa的條件下制成陶瓷胚體。將陶瓷胚體進行煅燒。煅燒時，先以2℃/min的升溫速率將陶瓷胚體升溫至350℃，并保溫2h。然后，以3℃/min的升溫速率繼續將陶瓷胚體升溫至1250℃，并保溫2h。最后，將陶瓷隨爐溫將至室溫，得到上述高紅外發射率陶瓷。

試驗例1高紅外發射率陶瓷XRD物相分析和顯微結構測試

用X射線衍射儀(XRD，D/Max2500)對實施例1－7所對提供的高紅外發射率陶瓷進行物相組成分析，并采用掃描電子顯微鏡(SEM，JEOL－6310)進行微觀形貌分析。

圖1為實施例1所提供的高紅外發射率陶瓷的XRD衍射圖譜。從圖1可以看出，高紅外發射率陶瓷中以堇青石為主晶相。圖2為實施例1所提供的高紅外發射率陶瓷的SEM測試結果，掃描電鏡的測試結果顯示陶瓷的顯微結構較為致密，存在少量的孔洞。

試驗例2高紅外發射率陶瓷的紅外發射率測試

采用IR－2型雙波段發射率測試儀在室溫下對實施例1－7所提供的高紅外發射率陶瓷進行雙波段紅外發射率測試，測試波段范圍1－22μm和8－14μm，測試結果見表1。

表1紅外發射率測試結果

從表1可以看出，本發明實施例1－7所提供的高紅外發射率陶瓷在波長為1－22μm的范圍內可達到0.88－0.90，即，88％－90％的高紅外發射率。同時，在8－14μm的范圍內可達到0.90－0.92，即，90％－92％的高紅外發射率。

試驗例3高紅外發射率陶瓷抗彎強度測試

采用萬能試驗機對實施例1－4所對提供的多孔陶瓷進行抗彎強度測試。

抗彎強度是指材料抵抗彎曲不斷裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的強度。

測試方法：抗彎強度測試在英制Instron1195萬能材料試驗機上進行。用作測試的試條為3×4×35(mm×mm×mm)。采用三點彎曲法測量，跨距為30mm，加載速率為0.5mm/min。每個數據測試5根試條，然后取平均值。實驗結果如表3所示。

表2抗彎強度測試結果

從表2可以看出，本發明提供的高紅外發射率陶瓷，其力學性能較好，能夠至少達到70Mpa，其中個別實施例的抗彎強度可達到80Mpa。

綜上所述，本發明提供的高紅外發射率陶瓷具有紅外輻射率高、顏色較淺、力學性能優異的優點，紅外輻射率可達到0.92，抗彎強度可達到80MPa。本發明提供的高紅外發射率陶瓷的制備方法，該方法對富鎂冶金鎳渣的利用率高達40％，具有利用率高、煅燒溫度低、操作方便等優點。本發明提供的高紅外發射率陶瓷可應用于醫療保健、新型建筑材料等領域、特種墻體材料等多方面。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。