[发明专利]一种氧化锆-莫来石复相耐火原料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种氧化锆-莫来石复相耐火原料及其制备方法，属于耐高温复相材料制备技术领域。

背景技术：

锆英石是一种十分重要的含锆非金属矿矿种，它在耐火材料、陶瓷工业、建材工业、电子工业和原子能工业等诸多领域都有十分广泛的应用。锆英石的主要成分为硅酸锆，它主要产于花岗岩、碱性岩或与这些岩石有关的伟晶岩及岩浆期后矿床中，此外在变质岩、沉积岩以及某些喷出岩中也有锆英石存在。

莫来石材料由莫来石单晶或多晶组成，具有高的弹性模量、抗蠕变性、抗热冲击性和高温强度，化学稳定性好，能在1000℃以上抵抗熔融金属和非氧化物的浸蚀，同时在高温氧化条件下具有良好的稳定性和力学性能、较低的热导率和优良的电绝缘性，其广泛用于高温结构材料的研究。

复相材料相比于单相材料有着更好的理化性能，因此拟通过锆英石与氧化铝在高温条件下反应烧成获得的氧化锆-莫来石复相耐火材料可以显著改善单一材料的机械性能，使其具有更优异的力学性能、抗热震性能以及抗侵蚀性能，作为耐火材料的原料或高温结构材料，广泛的应用于冶金、机械、化工、钢铁冶炼等诸多领域。

传统的制备氧化锆-莫来石复相原料的方法常采用氧化锆或硅酸锆细粉与莫来石细粉作为主要原料进行复合。如唐绍裘等以ZrSiO₄和Al₂O₃为主要原料原位合成了氧化锆-莫来石复相陶瓷材料并探讨了原位反应机理，所制备的材料具有较好的机械性能。赵世柯等以超细ZrSiO₄和Al₂O₃的反应烧结产物为结合相，以粗粒莫来石为骨料制备出了具有高致密度、优良抗热震性的氧化锆-莫来石复合耐火材料。这一类方法工艺过程较为简单，但是所需原料的获得往往需要经过复杂的破碎和高温等过程，从而使得生产的成本较高。

除了传统的高温烧结法以外，在一些研究中采用液相合成的方法也可以得到这种高性能的氧化锆-莫来石复相粉体材料。如谭小平等采用非晶晶化法制备得到了高t-ZrO₂含量的氧化锆-莫来石纳米复相陶瓷，同时研究了SiO₂-2Al₂O₃-2ZrO₂体系的原位受控晶化过程，这种制备方法解决了纳米粉末团聚、高温烧结时不能完全致密和晶粒快速长大等问题，有利于获得均匀、致密、高可靠性的结构陶瓷材料。朱伯铨等以锆英石为原料，采用熔盐法合成制备出了氧化锆-莫来石复相粉体，这种合成方法使反应在液相中实现原子尺度的混合，所合成的粉体具有较好的形貌。这一类反应所需温度较低，所制备的材料性能较好，其不足在于需要经过多步反应才能得到所要合成的目标产物。

为了降低生产成本、缩短工艺流程，寻找一种高效、低成本的合成方法来制备氧化锆-莫来石复相原料，可以选用天然矿物作为原料经一步高温反应过程来制备这种复相材料。热力学分析表明，按适当的比例混合锆英石和氧化铝细粉并加热至1500℃以上可以使锆英石分解产生的SiO₂与Al₂O₃反应形成莫来石。因此采用天然矿物锆英石为主要原料制备氧化锆-莫来石复相材料可以有效的节约能源和降低能耗，此外该工艺还可以实现锆英石等含锆非金属矿物的高效增值利用，具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种工艺过程相对简单、生产成本较低、能源消耗较低、物相纯度较高的氧化锆-莫来石复相耐火原料的制备方法。

本发明涉及一种氧化锆-莫来石复相耐火原料制备的新方法，其特征为：以锆英石细粉和铝源(可以是α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃和Al(OH)₃等)为主要原料，外加常温结合剂，并将其按一定比例混合，然后经制坯、干燥、烧成、冷却等工艺过程制备出氧化锆-莫来石复相耐火原料。所制备的氧化锆-莫来石复相耐火原料的主要组成成分有m-ZrO₂、t-ZrO₂和莫来石等，各物相所占总比例m-ZrO₂+t-ZrO₂+3Al₂O₃·2SiO₂大于96％。这种氧化锆-莫来石复相材料可以作为耐火材料的原料。

所述锆英石细粉为市售工业原料，其质量要求为锆英石纯度大于90wt％，其粒度要求为最大粒径小于500μm。