[发明专利]一种磷酸硼增强石英质材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种磷酸硼增强石英质材料及其制备方法。其技术方案是：将80～84wt％的天然石英、10～14wt％的熔融石英、1～5wt％的磷酸硼、2～4wt％的羧甲基纤维素钠和1～3wt％的水混合，研磨，困料，制得混合料；再于70～80MPa条件下机压成型，干燥，制得磷酸硼增强石英质材料坯体；然后将所述磷酸硼增强石英质材料坯体加热至1000～1300℃，保温1～3小时，自然冷却，制得磷酸硼增强石英质材料。本发明具有工艺流程简单、成本低和环境友好的特点；所制备的磷酸硼增强石英质材料体积密度大、显气孔率小和抗折强度大。

技术领域

本发明属于石英质材料技术领域。具体涉及一种磷酸硼增强石英质材料及其制备方法。

背景技术

石英是一种物理性质和化学性质稳定，用途广泛的矿产资源。具有分布广、成本低的特点。普通石英应用在玻璃、陶瓷、橡胶和铸造等领域。而高纯度的石英主要应用在高新技术产业如航空航天、生物工程、高频率技术、电子技术、光纤通信和军工等领域，具有广阔的应用前景。但是石英在高温使用条件下易发生相变，形成方石英，同时伴随较大的体积效应，使得热膨胀系数升高、强度降低，造成开裂，大大降低了材料的使用安全性。磷酸硼不仅成本低，而且具有很多优异的性能，用途广泛。磷酸硼因其具有生烟低的特点，用于复合材料的阻燃剂，在高温下分解产生磷酸和三氧化二硼，分解出的三氧化二硼会形成玻璃状覆盖层大大减轻熔滴现象；另因其具有优异的电化学特性，在燃料电池中得以应用；同时在烧结时可引入液相，促进烧结，使材料致密化。因此，将磷酸硼作为添加剂来改善石英质材料的烧结性能已被人们广泛关注。

目前，已有制备磷酸硼增强石英陶瓷材料的技术，如“一种硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料及其制备方法”(CN113999032A)专利技术，公开了一种硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料的制备方法，但是其工艺流程复杂；“一种石英纤维增强石英基复合材料及其制造方法”(CN113511879B)专利技术，该方法整个过程对设备要求高(需要配备旋转蒸发仪、激光粒度仪、真空仪器)，成本高；“晶须增强石英复合陶瓷透波材料的制备方法”(CN106518126B)专利技术，制得的材料的体积密度小和显气孔率大。

另外，有文献(Jinglong Bu,Yinglei Gu,Min Chen,Yuejun Chen,ZhifaWang.Effect of Nano-Yb₂O₃ addition on crystallization and sintering propertiesof fused quartz ceramic materials.Journal of the Ceramic Society ofJapan.2013,121(12):968-971)报道，使用Nano-Yb₂O₃作为添加剂，虽然致密性有所提高，但抗折强度却明显降低。有文献(Wei Wan,Yongbao Feng,Jian Yang,Wenbo Bu,TaiQiu.Microstructure,mechanical and high-temperature dielectric properties ofzirconia-reinforced fused silica ceramics.Ceramics International,2016,42(5):6436-6443)报道，使用氧化锆作为添加剂增强熔融石英陶瓷，其抗折强度虽得到提升，但氧化锆原料价格高，成本大。有文献(Xiaomei Han,Li Zhang,Jia Lu.Effect of Al³⁺Additions on the Properties of Quartz Ceramics.Key Engineering Materials,2012)报道，以Al₂O₃和硫酸铝为添加剂增强石英陶瓷，结果表明，少量的Al³⁺会导致样品的孔隙率降低，但由于硫酸铝的分解，会产生二氧化硫，污染环境。有文献(鄢文超,王敏,肖建中等.添加B₄C对熔融石英陶瓷烧结和析晶的影响.耐火材料,2012,46(3))报道，添加B₄C可促进熔融石英陶瓷的烧结，但是B₄C成本高。