一種高純莫來石陶瓷材料的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高純莫來石陶瓷及復合材料的制備方法，包括采用溶液反應法于乙醇溶液中在氧化鋁粉體表面包覆SiO2納米層，代替機械球磨等混料方式，干燥后進行預壓；然后，在氬氣氣氛中于SPS燒結爐1400?1500℃中燒結5?10min。之后，將燒結后的致密樣品進行打磨，最后得到莫來石陶瓷塊體材料。本發明制備過程操作簡單、重復性好，混料和反應均勻，同時制備時間短、燒結溫度低、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
技術領域
[0001]本發明屬于陶瓷材料制備領域，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】
[0002]莫來石的化學計量式為3A1203.2Si02，化學性質穩定，在氫氟酸中都不溶解，具有統一的熱膨脹系數、良好的抗熱震性能、高的荷重軟化點、高耐火度、低蠕變、高硬度和良好的抗化學腐蝕性等優點，使其在高溫耐火材料、電子封裝材料、光學材料及介電和高溫保護涂層方面得到重要的應用。由于具有經濟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，工業原料有工業氧化鋁、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熔融、冷卻結晶而得到。而燒結法生產莫來石陶瓷方法包括制備莫來石粉體-高溫燒結或者固相反應燒結等。程慶發明了一種反應燒結方法，以粉煤灰為主要原料，添加適量的Al2O3,采用行星球磨機，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計量裝入球磨罐內，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)。王玉成等人發明了一種細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體粉，然后利用放電等離子燒結爐燒結，燒結溫度為14000C，溫度達到1150°C時開始加壓，壓力為80MPa，升溫速率大于90°C/min;在燒結后期，在適當溫度點開始降低升溫速率，制備出晶粒細小的莫來石陶瓷。李博文公開了一種高強度莫來石陶瓷的制備方法(專利公開號:CN1226536A)，以藍晶石族礦物(包括藍晶石、紅柱石、硅線石三種同質異礦物)微粉(<20?30μπι，60?85%)與氧化鋁粉(10?2(^111，10?25%)、結合粘土(<8(^111，5?15%)、粘結劑(8?12%)混合并充分攪拌，使其成為均勻的泥料，再用高壓成型設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、步驟也較復雜，純度較低，后續的高溫處理比較麻煩，固相反應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。
【發明內容】
[0005]發明目的:針對莫來石陶瓷材料的研究現狀，本發明提供一種高致密度、結構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]為解決上述技術問題，本發明采取如下技術方案: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粉體分散于有機溶劑介質中，以正硅酸乙酯為原料，氨水作為催化劑，通過液相反應法在AI2O3粉體表面均勾包覆Si02納米膜，通過調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，進行放電等離子體燒結，燒結過程中S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石，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打磨，得到莫來石陶瓷塊體材料。
[0011 ] 優選的，步驟(I)中,Al2O3粉體粒度為80?200nm。
[0012]步驟(I)中，所述有機溶劑介質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，在所得復合粉體中的重量含量為 27.9%。
[0014]步驟(I)中，液相反應體系的pH值控制在8-10。
[0015]步驟(2)中，放電等離子體燒結的升溫速度為80-120°C/min，燒結溫度為1400-1500 0C，保溫時間為5-1 Omin。進一步優選地，燒結溫度為1500 V。
[0016]步驟(2)中，在進行放電等離子體燒結之前加壓至60-100MPa并保持，一直到燒結結束去除壓力。
[0017]步驟(2)中，放電等離子體燒結的燒結氣氛為Ar氣，約0.5-0.7個大氣壓。
[0018]優選地，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面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥。
[0019]有益效果:與現有技術相比，本發明提供了一種操作簡單、再現性高的制備莫來石陶瓷塊體材料的方法，通過包覆實現S12和Al2O3的均勻分散，并且操作簡單、再現性高、安全可靠、節省空間；在燒結制備時升溫速度快、燒結溫度低、晶粒均勻，通過原位反應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。本發明制備的莫來石陶瓷及復合材料可作為高溫耐火材料、電子封裝材料、光學材料及介電等使用。
【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，燒結溫度1500 °C，表明在1500 °C燒結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)，表明粉體未發生充分燒結。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體的實施例詳細說明本發明。
[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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為8，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放電等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至60MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為800C/min，燒結溫度為1500°C，保溫時間為1min，燒結壓力為80MPa。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為10，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放點等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至10MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為100°C/min，燒結溫度為1500 V，保溫時間為5min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，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，表明在燒結溫度1500°C條件下制備的莫來石陶瓷材料晶粒較細，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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為9，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放點等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至10MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為1200C/min,燒結溫度為1400V，保溫時間為8min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放點等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至80MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為100°C/min，燒結溫度為1500 V，保溫時間為8min。將制備的莫來石陶瓷塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為10，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放點等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至10MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為100 °C /min，燒結溫度為1200 V，保溫時間為5min。將制備的塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，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燒結溫度條件下制備出了高純度的莫來石陶瓷材料。說明燒結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 %氨水將液相反應體系的pH值調整為，通過滴加TEOS溶液，同時磁力攪拌，實現S12在Al2O3粉體表面的包覆，反應時間為2h。將粉體烘干過篩，裝入石墨磨具中，進行放點等離子體燒結，燒結氣氛為Ar氣，使S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石。燒結之前加壓至10MPa，一直到燒結結束去除壓力，燒結時升溫速率為100 °C /min，燒結溫度為1500 V，保溫時間為Omin。將制備的塊體先用拋光機打磨。在鑄鐵盤上平鋪SiC磨砂后，將碳紙將樣品上下面及側面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥，獲得塊體材料。燒結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粉體分散于有機溶劑介質中，以正硅酸乙酯為原料，氨水作為催化劑，通過液相反應法在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節納米層厚度，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，進行放電等離子體燒結，燒結過程中S12膜和Al2O3發生原位反應生成莫來石，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打磨，得到莫來石陶瓷塊體材料。2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，所述有機溶劑介質為無水乙醇或甲醇溶液。4.根據權利要求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.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，液相反應法的反應體系的pH值控制在8-10。6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，放電等離子體燒結的升溫速度為80-120 °C/min，燒結溫度為1400-1500 °C，保溫時間為5-1 Omin。7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，在進行放電等離子體燒結之前加壓至60-100MPa并保持，一直到燒結結束去除壓力。8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，放電等離子體燒結的燒結氣氛為Ar氣，約0.5-0.7個大氣壓。9.根據權利要求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面打磨掉后，繼續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對其進行清洗，用鼓風干燥箱干燥。
【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
【發明人】張建峰, 劉瑞婷, 李改葉, 趙春龍, 楊笑言
【申請人】河海大學