[发明专利]用于生产高强度材料的系统和方法

说明书

本发明提供了制造陶瓷和耐火材料的工艺，该工艺包括以下步骤：制备包含纳米晶粒粒径的颗粒的多孔粉末，其中，与相同的晶体材料相比，该颗粒的杨氏模量值更小；压制和加工粉末，使得粉末形成稳定的均质复合物；以及烧结复合物一定的时间和温度，以引起复合物的均匀收缩，从而制备致密的均质材料。

技术领域

本发明广泛地涉及生产高强度材料，并且具体涉及陶瓷和耐火材料的方法。

目的是开发一种制造比使用常规方法制造的材料更强的材料的方法，其具有较低生产成本和较低能耗和碳排放。

背景技术

对于生产高强度陶瓷(包括耐火材料)已经存在很长的历史。

最近，已开发了从纳米晶粒开发这些材料。将有待制造成陶瓷材料的材料的纳米晶粒用作此类材料的生产工艺的起始点的益处在于，与大多数粉末的微米级相比，该材料的初始颗粒处于纳米级。这种颗粒的较高表面能意味着存在用于将材料烧结成致密材料的驱动力的数量级的增强。该现有技术指出，结果是烧结过程在低得多的温度下发生，并且烧结时间大大减少，因为与传统方法的微米相比，扩散过程仅必须在纳米米长度尺度上发生。为了最大化材料的强度，最期望的方法是生产这种小颗粒的高密度复合物。然而，纳米材料的使用通常具有以下问题：纳米晶粒倾向于形成团聚体，因此初始堆积密度不均匀，使得在烧结期间，由这种初始聚集形成大孔，并且这些孔被消除的时间和温度变得与传统材料的时间和温度相似，其中孔产生材料粗化的中心。因此，使用纳米晶粒作为初始材料的高性能陶瓷的前景尚未实现。纳米晶粒的生产和处理的成本使得陶瓷制造的这种方法不用于工业上。应当指出的是，用于制造陶瓷的许多粉末是通过煅烧前体而生产的，由此挥发性成分被驱除，从而产生多孔材料。在这种情况下，煅烧粉末本身被烧结以去除此类颗粒的微孔、中孔和大孔，使得这些颗粒是致密的，并且被称为“死烧(dead-burned)”。当以晶体的杨氏模量为特征的这些硬质颗粒形成为用于烧结的初始复合物时，必须通过烧结去除的孔是在这些颗粒的长度尺度上的复合物的颗粒间孔。

需要一种方法，其中，烧结发生在纳米级以获得高强度，并且大孔的形成被最小化，使得烧结均匀地发生以实现上述纳米级烧结的固有益处。

贯穿本说明书对现有技术的任何讨论绝不应被视为承认此类现有技术是广泛已知的或形成本领域中的公知常识的一部分。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于制造陶瓷和耐火材料的工艺，该工艺包括以下步骤：

(a)制备包含纳米晶粒粒径的颗粒的多孔粉末，其中，与相同的晶体材料相比，该颗粒的杨氏模量值更小；

(b)压制和加工粉末，使得粉末形成稳定的均质复合物；以及

(c)将复合物烧结一定的时间和温度，以引起复合物的均匀收缩，从而制备致密的均质材料。

优选地，该粉末包含具有在0.1至100微米之间的粒径分布的颗粒。

更优选地，粉末包含具有在1至20微米之间的粒径分布的颗粒。

优选地，本发明的颗粒的孔隙率是在0.4％至0.7％之间。

在本发明的优选实施例中，杨氏模量小于相同的晶体材料的晶体值的杨氏模量的10％。

在一个实施例中，粉末是通过快速煅烧前体材料来产生的，其中，

挥发性材料被释放以形成孔隙。

在该优选实施例中，将煅烧粉末急速冷却(flash quenched)以使粒径最小化。

在可替代的优选实施例中，该工艺的步骤(b)另外包括以下步骤：

(b1)通过在装置中摇动粉末使粉末的堆密度最大化；以及