[发明专利]一种具有莫来石结构的陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有莫来石结构的陶瓷及其制备方法和应用。所述陶瓷含有晶态的Al₄B₂O₉相和非晶二氧化硅；其中非晶二氧化硅占陶瓷总质量的18％及以上；所述陶瓷的密度小于2.8g/cm³、且制成丝后，单丝拉伸强度为1.2～1.8GPa，弹性模量为140～180GPa。本发明的制备工艺为经典的单相莫来石溶胶凝胶法，通过各成分种类和用量的优化，得到了低密度、高韧性、高强度的产品。本发明的制备工艺还具备原料来源广泛、成本低，制备流程简单可控、耗时短，对生产环境及设备要求较低，产品可重复性好，溶剂易于回收，适于工业化生产等优势。本发明所设计和制备的产品可应用于隔热绝缘、军工国防、航空航天、化工环保等领域。

技术领域

本发明涉及一种具有莫来石结构的陶瓷及其制备方法和应用，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

莫来石陶瓷由于具有导热系数低、高温稳定性好、比热小等优点而广泛应用于隔热绝缘、军工国防、航空航天及化工环保等领域。莫来石陶瓷产品种类繁多，最常见的一种是莫来石纤维，其独特的结构拓展了莫来石陶瓷的应用领域。随着科技的进步，各应用领域对莫来石纤维的性能要求越来越高，制备出具有轻质特性、柔韧易弯曲、高强可编织的高温条件下组织结构和力学性能稳定的莫来石纤维产品对扩展其应用领域、提高其应用价值意义重大。研究发现，减小莫来石纤维的晶粒尺寸可有效提高其柔韧性，抑制晶粒的长大可以明显改善纤维高温条件下的力学性能。因此，制备出一种晶粒尺寸小、晶粒不易长大的莫来石陶瓷纤维或莫来石结构的陶瓷纤维产品是非常具有实用价值的。

迄今为止，制备连续莫来石纤维最常用的方法是溶胶-凝胶法(sol-gel method)。通过这种方法制备莫来石纤维主要采用两种溶胶合成工艺路线：一种是先将铝源(铝的醇盐或无机盐等)水解制备出铝溶胶后与硅溶胶进行物理混合，所得溶胶产品中铝和硅在分子层面混合，也称为双相莫来石溶胶(diphasic mullite sol)；另一种是将铝源和硅源(硅酸乙酯或硅烷等)同时进行水解，制备的溶胶产品中铝和硅在原子层面混合，也称为单相莫来石溶胶(monophasic mullite sol)。单相莫来石溶胶得到产品的莫来石化温度在980℃左右，当温度进一步升高时，莫来石晶粒开始长大。而双相莫来石溶胶得到的产品首先在～920℃生成γ-Al₂O₃相，而后于高于1250℃的条件下生成莫来石。在莫来石相生成前，二氧化硅均是以非晶态存在的，且均匀分布的非晶二氧化硅能够有效阻碍γ-Al₂O₃晶粒的长大。所以，具有这种组织结构的纤维产品柔韧性好、力学性能稳定。但是，从生产工艺及成本的角度来讲，单相莫来石溶胶及纤维产品的制备流程更简单快捷，原料稳定可靠、来源广泛且成本低，对生产环境及设备要求更低，产品可重复性更好。因此，开发出一种采用单相莫来石溶胶合成工艺路线制备的高性能莫来石纤维产品，应用价值巨大。

目前，我国连续莫来石纤维的制备研究发展较慢，纤维产品性能相对较差，应用价值明显低于国外的同种类产品，生产工艺也落后于国外的生产单位，因此急需开发一种新型的具有轻质高柔高强特性的连续莫来石陶瓷纤维，并掌握其适于大量生产的制备方法。同时，经检索发现，以晶态Al₄B₂O₉相作为主要相并含有非晶态的具有莫来石结构的陶瓷在相关文献中还鲜有报道。

发明内容

本发明提供了一种具有莫来石结构的陶瓷及其制备方法，得到了具有低密度、高拉伸强度的莫来石陶瓷纤维。

本发明一种具有莫来石结构的陶瓷，所述陶瓷含有晶态的Al₄B₂O₉相和非晶二氧化硅；其中非晶二氧化硅占陶瓷总质量的18％及以上、优选为20-30％、进一步优选为24-30％；所述陶瓷的密度小于2.8g/cm³。