[发明专利]高红外发射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备技术领域，特别涉及高红外发射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。据统计，通常每消耗4吨煤，就会产生1吨粉煤灰。2010年，中国煤炭消费量超过40亿吨，其中电力行业耗煤占到一半以上。保守估计，该年中国粉煤灰的产量达到了4.80亿吨，这相当于目前中国城市生活垃圾总量的2倍多。2011年，中国粉煤灰产量达到4.98亿吨，同比增长3.75％；2012年，中国粉煤灰产量达到5.20亿吨，同比增长4.12％；2013年，中国粉煤灰产量达到5.32亿吨，同比增长2.31％。目前，粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一。

大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中还包括可能导致神经系统损伤、出生缺陷甚至癌症的重金属。据估计，中国每年约有共2.5万吨的镉、铬、砷、汞和铅这五种国家重点监控的重金属，随粉煤灰的排放进入到自然环境中。逐年堆放的工业废物粉煤灰对环境造成了严重污染，已成为制约我国电力事业可持续发展的主要因素。因此，如何解决粉煤灰的无害化处理和资源化利用已成了一大难题。

目前，国家每年都投入了大量的人力财力来维护工业废渣粉煤灰，并将粉煤灰综合利用技术列为重点推广应用的十项新技术之一。作为一种资源，粉煤灰已被用于水泥的混合材、路基、墙板、烧结砖等，但粉煤灰的利用方面还存在的很大问题，那就是粉煤灰综合利用率低、利用渠道狭窄，仅局限于生产建材产品和回填，利用量远远小于产生量，库存不断增加。通常，人们普遍认为的中国粉煤灰综合回收利用率能达到60％以上，但实际利用率可能还不到40％。针对上述问题，加强工业废渣粉煤灰资源化、生态化、高附加值化研究，实现粉煤灰的有效回收与综合资源化利用，减少对环境的污染，已是面临的急不可待之事。

红外辐射陶瓷是应用广泛的一类特殊的陶瓷材料，它能够辐射出远波长的红外线光波材料。而远红外线作为一种电磁波，存在着强烈的热辐射效应，能够促进物质结构内部的热运动。它被广泛地用于热量的传递方式或者作为热源使用，与其他形式的热源比较，这种热源具有加热快、节约燃料、质量好等独特性能，从而受到人们的广泛重视。通过研究发现，对于8～12μm波长范围的远红外线，人体极其敏感，因为该波段的远红外线能够改进人体微循环，激励细胞组织的活力，增强免疫力等，当被人体吸收后，具有保健功能，对人体的多种疾病具有十分优越的治疗效果。因此，红外辐射陶瓷广泛应用于人体健康、运动康复、空气净化、节约燃料等诸多领域，其市场需求量大。目前研究的最为普遍的红外辐射陶瓷材料为堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)陶瓷材料，因其红外辐射率较高，热膨胀系数较低，以及分解温度较高。同时，具有良好的抗热震性、比较稳定的物理化学性能、较高的介电常数和良好的耐高温等特征。然而，由于纯堇青石烧结范围窄，仅25℃，仅在其熔点(1450℃)非常窄的范围内才能烧结，用传统方法如不采用偏离堇青石组成或添加烧结助剂，很难获得致密的纯相堇青石陶瓷；另外，目前大多数的研究均是采用传统的原料组成即高岭土-滑石-氧化铝、或者是用化学纯的系列氧化物制备堇青石，不仅生产成本高，且烧成温度也较高(一般为1350～1400℃)，因而极大地限制了其产量和优良性能的发挥。

镁铝尖晶石是镁铝氧化物组成的矿物，其化学式为MgAl₂O₄，镁铝尖晶石是熔点、热膨胀、硬度等性能都较优良的材料，其热膨胀系数小，介电常数低，具有良好的红外辐射性能和电绝缘性能。将镁铝尖晶石相与堇青石相复合来制备堇青石-尖晶石复相陶瓷红外材料，其制备工艺简单，烧结温度低，且温度范围容易控制，极大地提高了红外辐射陶瓷的产量。

近年来，随着高岭土等陶瓷原料资源逐渐匮乏，利用工业废渣或新原料制备高性能材料的研究已成为发展趋势，这不仅有利于环境保护，符合国家的发展战略要求，同时也是新型环保陶瓷材料的发展方向，符合我国建立资源、能源节约型社会的迫切要求。工业废渣粉煤灰的来源丰富，利用粉煤灰资源制备红外辐射陶瓷材料，不仅能够大大降低生产成本、避免紧缺陶瓷原料资源的匮乏，而且可以充分利用土地资源，对红外陶瓷材料的发展以及环境保护均有着重要的实际价值。传统的陶瓷制品原料复杂，大多都在四种以上，有的甚至多达十几种，成本高，制备后成品品质不稳定。

发明内容