[发明专利]一种纳米晶莫来石粉体的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米晶莫来石粉体的制备方法，步骤如下：将Al(NO₃)₃·9H₂O、Si(OC₂H₅)₄和尿素溶于由乙醇和去离子水组成的混合溶液中，搅拌7‑9h得前驱体；将前驱体置于马弗炉中，以8℃/min的升温速率升温至1050‑1150℃下保温5‑6h，煅烧得莫来石粉体；通过Bridgmann型高压装置，在3.8‑4.2GPa下将莫来石粉体压制成直径为6cm、高为2cm的试样，同时在1‑2min内将试样升温到1250‑1350℃烧结70‑90s，冷却即得。该方法简便、快捷、易操作，成功制备了高密度的纳米晶莫来石粉体，可大规模制备。

技术领域

本发明涉及一种纳米晶莫来石粉体的制备方法。

背景技术

高压烧结法是生产高密度陶瓷最成熟的工艺，制备高密度纳米晶体材料的首要问题是如何避免晶粒快速生长。在烧结过程中，添加晶粒抑制剂（固定剂）可以阻碍晶粒异常长大，氧化锆体系中常用的抑制剂是氧化铝和莫来石，氧化铝体系中常用的抑制剂是MgO、Y₂O₃和ZrO₂。然而，添加晶粒抑制剂能降低莫来石粉体的物理性能。因此，在纳米晶粉体致密化过程中，关键问题是在不影响最终产品性能的情况下限制晶粒的长大。其中，抑制晶粒长大的一种方法是缩短整个烧结过程，这种方法可以起到缓解压力或提高反应活性的作用。晶粒长大机理基于晶界的迁移，通过空位机制实现原子扩散。在多孔粉体成型过程中，对颗粒施加压力，可以减小颗粒间距，使试样变得更加致密。在低压条件下，莫来石粉体相邻颗粒的接触点处产生弹性形变（微应变），所产生的微张力能部分用于晶粒长大。升压过程中，莫来石颗粒经过塑性变形，变得更加坚硬和致密，同时气孔被关闭。随之而来的是原子扩散和物质迁移受到限制，抑制了晶粒的长大，并保持原有的颗粒尺寸。然而，煅烧温度的升高促进晶粒长大。

具有大量共价键结合的莫来石晶体密度小、晶界扩散系数低，因此需要高温才能实现致密化（高于1650℃）。由于铝和硅缓慢的扩散速率导致莫来石致密化过程中活化能较高。缩短铝和硅之间的平均扩散距离是提高莫来石粉体烧结性的方法之一。不出现晶间气孔均质微观结构是理想的，然而晶界处的大气孔、大的第二晶粒和共存的玻璃相不利于烧结陶瓷体的机械性能。在高于Al₂O₃-SiO₂系统低共熔温度（1590℃）下产生的液相促进晶粒的生长。在有液相存在的条件下，促进了硅离子和铝离子的扩散，形成长柱状莫来石晶粒，而在固相烧结过程中易形成等轴晶莫来石。使用高能球磨法也会引起晶粒各向异性生长，这是由于磨料中存在局部应力。通过添加SrO或MgO等烧结助剂也可以引起晶粒的各向异性生长。烧结助剂的最大益处是可以提高莫来石的致密度，但也会随之生成新的二次相，如试样中添加MgO会形成镁铝尖晶石。

许多工艺参数改变了莫来石在烧结过程中形成的微观结构。使用超高等静压（直到1GPa）制备的素坯粉体颗粒更紧密堆积，在颗粒间接触点位置坚硬的团聚体的崩溃和颗粒的黏性形变都促进了试样的黏性烧结并出现了残余玻璃相。在1250℃以上烧成的莫来石粉体烧结性受到限制，这是因为在烧结过程中发生晶粒凝聚和长大。此外，莫来石粉体原料的组分也决定了烧结机理。低铝莫来石在液相烧结条件下更趋向于各向异性生长，形成长柱状，而高铝莫来石在固相烧结条件下更趋向于等轴晶体结构。长柱状莫来石通常相互贯通形成正交的骨架结构或相互交织的网络结构，进一步抑制了晶粒的长大。

在升温和加压过程中，莫来石晶格常数发生改变。随着烧成温度的升高，Al₂O₃颗粒进入莫来石晶格的数量降低，形成亚稳态的含Al₂O₃·SiO₂的一类矿物——硅线石、红柱石或蓝晶石，随后可能转变成热力学动力学意义上的热稳态的莫来石。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米晶莫来石粉体的制备方法。