[发明专利]一种采用莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种采用莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷材料的方法。

背景技术

氧化铝在自然界存在十分广泛，是实际应用最多的氧化物材料之一。氧化铝基陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨、耐高温、抗腐蚀、电绝缘性能高和介电损耗低等优良性能，所以在结构陶瓷、电子陶瓷和生物陶瓷方面具有重要的应用价值。其原料来源广泛、价格低廉也是其他高性能陶瓷材料(碳化硅、氮化硅)所无法比拟的。氧化铝陶瓷的化学键是离子键，具有很高结合能和很强的方向性，导致脆性大，塑性变形难和均匀性差等致命弱点，这种材料的韧性非常低，通常只有3MPa.m^1/2[1]，并且由于热膨胀系数较大，它的抗热冲击性能十分差，研究表明氧化铝陶瓷材料在热冲击下，由于各向异性膨胀系数造成的材料内部热应力会达到80~100MPa^[2]，经常会自行开裂。氧化铝尽管是使用最广泛的一类工业用氧化物陶瓷材料，但是热脆性一直是阻碍其进一步使用的瓶颈。因此，提高氧化铝材料的韧性和抗热震性是目前亟待解决的问题。目前关于氧化铝增韧的方法有很多，如相变增韧、晶须和晶种增韧、颗粒弥散补强等方法。而由于抗热震性问题的复杂性，至今还未建立起一个比较完善的增韧氧化铝陶瓷材料的方法。

发明内容

本发明针对氧化铝陶瓷材料亟需补强增韧的问题提出一种采用莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷材料的方法。通过本发明方法制备得到的氧化铝陶瓷材料具有较高的机械性能和抗热震性。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种采用莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷材料的方法，该方法包括以下步骤：

a)、将含莫来石相大于70%的轻质耐火砖磨碎，过60～100目筛，采用pH小于3的酸液浸泡2小时以上后，再水洗去除残余酸液，干燥，得到莫来石晶种；

b)、取莫来石晶种，加入莫来石晶种重量5～10倍的去离子水，向其中滴入莫来石晶种重量0.5～1%分散剂，震荡分散后，加入平均粒径为0.5～2μm的氧化铝中，分散均匀；得到莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷原料，成型，烧结，得到莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷材料；其中，莫来石晶种用量是氧化铝重量的1～20%，优选莫来石晶种用量是氧化铝重量的2～5%，最优选莫来石晶种用量是氧化铝重量的2～4%。

经过步骤“a”方法制备得到的莫来石晶种，晶体形状为比较明显的针状或长柱状，并且微观形貌上观察到的细小颗粒物和粘结在柱状晶种周围的杂相物质很少。

步骤“b”中所述的pH小于3的酸液可以为浓度为10～20%稀硝酸。

所述的步骤“b”中分散剂为聚丙烯酸铵或六偏磷酸钠。

所述的步骤“b”中与氧化铝分散可采用行星磨进行球磨，以100～300r/min的速度分散10～60min。

所述的步骤“b”中震荡分散时间为10～30min。

所述的步骤“b”中的成型是将氧化铝陶瓷原料干燥，过筛，加入聚乙烯醇造粒，在15MPa下干压或者注浆成型。

所述的聚乙烯醇用量可以是莫来石晶种增韧氧化铝陶瓷原料的5～10wt.%。

所述的步骤“b”中烧结采用的温度为1500℃～1600℃。优选烧结采用的温度为1550～1600℃，添加莫来石晶种的试样在该温度下烧结更加致密。

本发明所用的原料为含莫来石相大于70%的轻质耐火砖，莫来石轻质耐火砖粉碎后得到的莫来石粉料中主晶相为莫来石相，并且存在部分硅线石相和α-Al₂O₃相，衍射峰宽化和杂峰众多，说明粉料中存在杂相。虽然莫来石粉料中已经有部分呈长柱状的莫来石晶粒，但是也存在没有均匀生长的莫来石晶体，并且在晶粒周围包围着杂相。总体来说，粉料中的莫来石晶体形状不均匀，更多的呈现出团聚状态以及不规则晶界。本发明对莫来石粉料进行了处理，制得的莫来石晶种外貌如图1所示。可以看出，得到的莫来石晶晶种粒晶界清晰，呈现出针状或者柱状晶体。

与现有技术比较本发明的有益效果：本发明采用莫来石晶种作为结构陶瓷的补强材料，将其加入氧化铝原料中既起到了促进烧结的作用，同时又增强其韧性，降低热膨胀系数，使得添加莫来石晶种的氧化铝陶瓷材料的抗弯强度、断裂韧性、抗热震性能都显著提高。

以下采用部分试验说明如何采用莫来石晶种获得具有更加优良机械性能的氧化铝陶瓷材料。