[发明专利]改进的溶胶-凝胶工艺制备BaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃及方法

说明书

技术领域

本发明属于玻璃材料及其生产技术领域，涉及一种耐高温用BaO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃的制备方法。

背景技术

微晶玻璃，是一种由适当组成的玻璃粉末经烧结和晶化，制成的由结晶相和玻璃相组成的质地坚硬、密实均匀的复相材料。微晶玻璃也可以叫玻璃陶瓷，具有玻璃和陶瓷的双重特性。微晶玻璃和普通玻璃的区别是：前者部分是晶体，部分是非晶体，而后者全部是非晶体。迄今，微晶玻璃作为结构材料、光学材料、电学材料、建筑材料等广泛应用于国防尖端技术、工业、建筑及人类生活的各个领域。

美国NASA（National Aeronautics and Space Administration）等机构对比研究了多种玻璃和微晶玻璃用作复合材料基体时的最高使用温度，发现BAS（BaO-Al₂O₃-SiO₂）微晶玻璃是这些玻璃和微晶玻璃中耐热温度最高的。这是因为BAS微晶玻璃的结晶相是钡长石(BaAl₂Si₂O₈)，钡长石的熔点高达l760℃，是所有微晶玻璃结晶相中熔点最高的。因此，美国NASA Lewis材料研究中心在1987年将BAS微晶玻璃列入了NASA高温发动机材料研究计划。经过近50年的积累，BAS微晶玻璃的研究已经取得了重大进展，被广泛用于高温结构材料基体、集成电路基板、雷达天线罩、微晶玻璃涂层和高温烧结助剂等。

目前，BAS微晶玻璃的制备方法主要有：熔融烧结法和溶胶-凝胶法。熔融烧结法在合成工艺上较为简单，适用于大规模生产，但其熔化温度高，易产生高温“坩埚污染”，难以保证材料的纯度。现有的溶胶-凝胶法主要是采用有机盐为原料，如以多元金属醇盐水解缩聚反应形成溶胶，再进一步反应生成凝胶后低温合成BAS凝胶玻璃。BAS凝胶玻璃经过烧结和晶化可制得BAS微晶玻璃。溶胶-凝胶法的制备温度低，可防止挥发性组分的挥发，而且溶胶-凝胶法在制备初期就进行控制，材料的均匀性可以达到纳米甚至分子级的水平。但是由于金属醇盐的成本很高，溶胶-凝胶法制备BAS微晶玻璃还只停留在实验室研究阶段，难以进行大规模的应用。

发明内容

本发明的目的在于改进溶胶-凝胶工艺制备BAS微晶玻璃，即通过使用成本较低的硅溶胶、铝溶胶和硝酸钡为原料代替多元金属醇盐，在较低的温度下制备出BAS凝胶玻璃。BAS凝胶玻璃经过造粒，成型和烧结等工艺可制得耐温性能和力学性能较优的BAS微晶玻璃。

发明是通过以下技术方案实现的。

改进的溶胶-凝胶工艺制备BaO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃，BAS组成点选择在钡长石单相区内，材料成分质量百分含量为：

Al₂O₃∶18-34，

SiO₂∶34-52，

BaO∶20-42。

制备原料选择：铝溶胶、硅溶胶和硝酸钡。

本发明改进的溶胶-凝胶工艺制备BaO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃的方法，步骤如下：

（1）制备Ba-Al-Si三元溶胶：确定Al₂O₃、SiO₂和BaO的含量，计算出铝溶胶、硅溶胶和硝酸钡的需要量；称取相应的铝溶胶放入反应器中，放置在磁力搅拌机上搅拌，搅拌的同时加入浓硝酸，用以调节体系的pH使其小于2，再加入硅溶胶，继续磁力搅拌10-30分钟，获得硅铝溶胶1；将溶胶1继续磁力搅拌，并加入去离子水，调节溶胶的固相含量为5-10wt%，用浓硝酸调节体系的pH小于2，加入硝酸钡和三元溶胶所含固相量1-2wt%的成核剂，再磁力搅拌1-2h，获得Ba-Al-Si三元溶胶2；

（2）制备Ba-Al-Si三元凝胶：溶胶2继续磁力搅拌，同时使用滴管缓慢加入浓氨水调节体系的pH，并当体系的pH调节为4.0-5.0时，溶胶2逐渐向凝胶转变，此时停止磁力搅拌；静置12-24h，获得Ba-Al-Si三元凝胶；

（3）制备BAS凝胶玻璃：将步骤（2）制得的三元凝胶放置在烘箱中120℃烘干8-10小时，得到干凝胶，干凝胶研磨过80目筛后900℃煅烧0.5-1h可制得BAS凝胶玻璃；

（4）BAS凝胶玻璃经过造粒、成型和烧结得到BAS微晶玻璃。