[发明专利]蓝晶石精矿低温制备高纯莫来石单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种蓝晶石精矿低温制备高纯莫来石单晶的方法，属于新材料技术领域。

背景技术

莫来石(Mullite，3Al₂O₃·2SiO₂)是一种链状硅酸盐矿物，天然的莫来石较少，迄今未发现具有工业价值的矿床。莫来石导热系数低且是氧离子的不良导体，并且具有优异的热稳定性和高温化学稳定性，耐火度高、抗热震性好、抗化学腐蚀、抗蠕变荷重软化温度高、电绝缘性强，是一种理想的隔热材料。

莫来石单晶没有内部或表面缺陷，除了具有多晶莫来石优异性能之外，其力学性能优于多晶莫来石。莫来石单晶主要应用于金属基耐高温材料和陶瓷基复合材料，起到增强补韧的效果。与其他非氧化物单晶相比，莫来石单晶更适合高温和恶劣的氧化环境。

目前，莫来石单晶已经被应用到经典的TBC_s热障体系中，利用大气等离子喷涂制备金属基体、粘结层、莫来石复合热障涂层的热障体系。适量高长径比的莫来石单晶，能够降低涂层之间的失配应力，提高涂层的结合强度和抗热震性能，但是，大于1100℃高温工作过程中，即使有极少量的杂质也会减少热障层使用寿命，破坏整个部件的性能，因此，高温热障体系对莫来石单晶的纯度要求很高。

蓝晶石(Kyanite，Al₂O₃·SiO₂)作为一种富铝硅酸盐矿物，与莫来石有着相近的化学组分。在高温下，蓝晶石分解生成莫来石和α-方石英，因此，在蓝晶石中添加一定量的氧化铝就能使原料最大程度转化为莫来石。蓝晶石具有比其他硅酸铝系矿物更紧密的晶格结构和更大的密度，合成莫来石可以降低合成反应温度，是较理想的原料。

目前，以蓝晶石为原料制备莫来石单晶的中国专利有两项，CN102206865A公布了一种利用蓝晶石矿制备莫来石单晶的方法，该方法将蓝晶石和氟化物经球磨机混合均匀后置于密闭的耐高温容器中，在1100-1600℃煅烧3小时以上，冷却得到莫来石单晶。CN102351522A公布了一种用蓝晶石制备莫来石均质料的制备方法，该方法将蓝晶石、高铝矾土、工业氧化铝和稀土氧化物为原料，经湿法或干法混磨并挤压成块状胚体，烘干后1460-1600℃焙烧，保温8-16小时，冷却至室温得Al₂O₃含量为45-70％，体积密度2.3-2.8g/cm³的产物。

莫来石单晶的合成方法有大量的文献和专利，高温煅烧和单晶纯度低是普遍存在的问题。长时间的高温，会消耗大量的能量，也意味着不可避免产生大量的污染物，当温度高于1300℃时，生产对设备要求大幅度提高，不可避免要提高基础投入。莫来石单晶应用于热障材料时，经济效益较高，而低纯度晶体会严重影响金属基热障材料的性能。例如：CN102206865A中，合成的单晶附着在蓝晶石的表面，粉体蓝晶石原料的粒径已经很小，所以分离出蓝晶石表面的晶体作为复合材料的增强补韧剂是很难解决的问题；蓝晶石在高温分解时，有不可逆的体积膨胀，含有蓝晶石杂质的莫来石晶体作为材料的增强补韧剂，不但起不到增强补韧的效果，反而会引起材料性能下降。CN102351522A和很多传统莫来石晶体的合成中，由于温度高于1200℃，莫来石开始产生烧结，晶体的生长受到限制，制备得到的产品为块状或烧结状态，也无法得到分散的高纯度莫来石单晶。为了得到长径比较大的莫来石单晶，必须降低莫来石合成温度，确保晶体较大的生长空间，要求一种低温制备高纯莫来石单晶的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适合做复合材料增强补韧剂的高纯度莫来石单晶的合成方法，该方法工艺简单、产率高、能耗低。

本发明利用蓝晶石精矿低温制备莫来石单晶的方法包括下述步骤：

(1)将相同粒径蓝晶石精矿和工业Al₂O₃在球磨机内混合，混合样中Al₂O₃和SiO₂的质量分数符合莫来石化学结构；

(2)混合样外置催化剂AlF₃，在密闭的耐高温容器内，分两步进行热处理，第一步为常温到900℃，完成莫来石成核；第二步为900-1100℃，完成莫来石晶化，随炉冷却至室温将其取出，即得高纯莫来石单晶。

按上述方案，步骤(1)所述的蓝晶石精矿的纯度在95％以上，蓝晶石精矿和Al₂O₃粒度为37-44微米。