CN103342547B - 一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法 - Google Patents

一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法，属于陶瓷材料领域。通过控制水解条件，催化正硅酸乙酯水解产生硅溶胶，在超声分散好的熔融石英粉体表面进行同质溶胶的包覆，控制包覆工艺获得包覆良好的熔融石英陶瓷粉末，经过滤、干燥、磨细和煅烧后得到用于压制烧结的包覆型粉末，采用压制烧结工艺制备致密的熔融石英陶瓷，烧结过程中利用硅溶胶的高活性来促进烧结，提高致密度。制备的熔融石英陶瓷材料致密度在98%以上，室温抗弯强度大于60MPa，未发生析晶现象。本发明的方法工艺简单，能耗低，原料丰富易得，成本低廉，适合制备高性能熔融石英陶瓷。

Description

一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，属于陶瓷材料的范畴。特别提供了一种利用同质溶胶进行粉体表面改性，然后经煅烧、压制烧结工艺制备高致密度熔融石英陶瓷的方法。
技术背景
熔融石英陶瓷由于有着优异的热震稳定性，低的热导率和低的热膨胀系数等一系列的优良性能，在冶金、玻璃、化工、航天等多个领域得到越来越广泛的应用。国内外均投入较大的力量对熔融石英陶瓷进行研究。
熔融石英陶瓷具有热稳定性好、热膨胀系数小、介电常数低、耐酸碱腐蚀性好、电绝缘性好、成本低等一系列优异性质，故自问世以来，迅速在耐火材料和中等温度下抗拒温度激烈变化的结构材料应用中得到了推广，其应用领域正逐步扩大，已经涉及到了宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属、玻璃等工业领域，是一种很有前途的陶瓷材料。
石英陶瓷制品具有良好的热性能特性，在玻璃生产中石英陶瓷广泛用作石英陶瓷辊、陶瓷孔板和底托、陶瓷内浇口杯、导气喷嘴、搅拌器和陶瓷柱塞等。在冶金行业被用作熔融石英水口和金属带材连续退火炉的炉底辊，在美国精铸业中，熔融石英的使用仅次于铝-硅系材料，远远超过锆石等其他耐火材料。
在航空航天行业，石英陶瓷被用作陶瓷天线罩，它可以满足对雷达波透过损失小和畸变小的要求，又满足了导弹气动外形、耐气动加热和结构强度等方面的要求。此外，石英陶瓷可用作航天飞行器的隔热材料，同时还可用于火箭发动机的喷嘴、头部及前室等部位。在太阳能行业，石英陶瓷被用作坩埚，是太阳能多晶硅铸锭炉的关键部件，用于多晶硅的生产和制备。
石英陶瓷虽然有上述优良的特性，但与其他结构陶瓷相比，其强度明显偏低，这主要是由于生产熔融石英陶瓷的主要原料熔融石英发生方石英化析晶的温度较低，通常需要将熔融石英陶瓷的烧成温度控制在1200℃以下，而这个温度对材料的烧结十分不利。为了改善石英陶瓷的低温烧结性能，制备致密的熔融石英陶瓷材料，通常添加烧结助剂是一种有效的方法，研究发现烧结助剂（H3BO3、H3PO4、Si3N4、Y2O3）在一定范围内可以促进熔融石英陶瓷的烧结，但添加助烧剂的同时也促进了熔融石英的晶化，而且随助烧剂含量的增加，晶化越严重，而且加入物的热膨胀系数与熔融石英无法匹配，会导致材料的热稳定性有所下降，在使用过程中出现破坏。所以，如何解决熔融石英陶瓷的析晶和致密化烧结之间的矛盾，在较低温度下使石英陶瓷致密，同时防止烧结过程发生析晶显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能获得具有高致密度、高纯度、高强度的熔融石英陶瓷的方法，解决熔融石英陶瓷的析晶和致密化烧结之间的矛盾。
本发明所采用的技术方案是：采用正硅酸乙酯水解产生硅溶胶，在超声分散好的熔融石英粉体表面进行同质溶胶的包覆，通过控制包覆工艺获得包覆良好的熔融石英陶瓷粉末，经过滤、干燥、磨细和煅烧后得到用于压制烧结的包覆型粉末，采用压制烧结工艺制备致密的熔融石英陶瓷，烧结过程中利用硅溶胶的高活性来促进烧结，提高致密度。同时避免了杂质的引入，不会促进析晶变化。
一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法，包括以下工艺步骤：
1、包覆型熔融石英粉末的制备
以异丙醇为共溶剂，在强力搅拌机作用下，用0.01mol/L～0.1mol/L的盐酸催化正硅酸乙酯（TEOS）水解，正硅酸乙酯加入量为反应体系总体积分数的20%～40%，水硅比（水与TEOS的摩尔比）R(n(H2O)：n(TEOS))=5～35，水浴40～80℃加热，反应2～6h后生成硅溶胶，然后将经过超声发散好的熔融石英粉置入烧杯中继续搅拌2～6h完成包覆；实验结束对样品进行洗涤、过滤、干燥和磨细；
2、煅烧
将所述表面包覆粉末置于煅烧炉中，煅烧温度为600～700℃，煅烧时间为1～2h，获得表面用于压制烧结的包覆粉末；
3、致密化
采用模压或冷等静压，模压压制压力为200～400MPa，保压时间为5～30s；冷等静压压力为150～300MPa，保压时间为30～90min；采用快速升温电炉烧结，烧结温度为1100～1250℃，保温时间为1～4h，低温阶段慢烧，中温保温排胶，高温阶段快烧快冷。
采用以上技术方案，本发明的优点在于：
1、原料丰富易得，成本低廉，工艺简单；
2、同质溶胶的包覆既可提高陶瓷致密度，又不会引入导致材料析晶的“杂质”，保持熔融石英陶瓷的优异性能；
3、在较低的烧结温度下即可获得相对致密度达到98%以上的石英陶瓷制品，室温抗弯强度大于60MPa，并未发生析晶现象。
附图说明
图1是本发明制备高致密度熔融石英陶瓷的工艺流程图。
图2是熔融石英粉体包覆前的SEM照片。
图3是熔融石英粉体包覆后的SEM照片
具体实施方案
实施例1：
1、包覆型熔融石英粉末的制备
以异丙醇为共溶剂，在强力搅拌机作用下，用0.02mol/L的盐酸催化5ml的正硅酸乙酯水解，水浴45℃加热，反应3h后生成硅溶胶，然后将经过超声分散好的熔融石英粉置入烧杯中继续搅拌4h完成包覆；实验结束对样品进行洗涤、过滤、干燥和磨细；
2、煅烧
将所述表面包覆粉末置于煅烧炉中，煅烧温度为600℃，煅烧时间为2h，获得表面用于压制烧结的包覆粉末；
3、致密化
将所述同质溶胶包覆熔融石英粉末采用压制烧结工艺，获得高致密度熔融石英陶瓷材料。
1）压制：采用模压成形，模压压制压力为200MPa，保压时间为15s；
2）烧结：采用快速升温电炉烧结，烧结温度为1150℃，保温时间为2h，低温阶段慢烧，中温保温排胶，高温阶段快烧快冷。
实施例2：
1、包覆型熔融石英粉末的制备
以异丙醇为共溶剂，在强力搅拌机作用下，用0.03mol/L盐酸催化10ml的正硅酸乙酯水解，水浴60℃加热，反应4h后生成硅溶胶，然后将经过超声分散好的熔融石英粉置入烧杯中继续搅拌4h完成包覆；实验结束对样品进行洗涤、过滤、干燥和磨细；
2、煅烧
将所述表面包覆粉末置于煅烧炉中，煅烧温度为650℃，煅烧时间为2h，获得表面用于压制烧结的包覆粉末；
3、致密化
将所述同质溶胶包覆熔融石英粉末采用压制烧结工艺，获得高致密度熔融石英陶瓷材料。
1）压制：采用冷等静压成形，压制压力200MPa，保压时间为60min；
2）烧结：采用快速升温电炉烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为2.5h，低温阶段慢烧，中温保温排胶，高温阶段快烧快冷。
实施例3：
1、包覆型熔融石英粉末的制备
以异丙醇为共溶剂，在强力搅拌机作用下，用0.03mol/L的盐酸催化15ml的正硅酸乙酯水解，水浴70℃加热，反应一段时间4h后生成硅溶胶，然后将经过超声分散好的熔融石英粉置入烧杯中继续搅拌5h完成包覆；实验结束对样品进行洗涤、过滤、干燥和磨细；
2、煅烧
将所述表面包覆粉末置于煅烧炉中，煅烧温度为700℃，煅烧时间为2h，获得表面用于压制烧结的包覆粉末；
3、致密化
将所述同质溶胶包覆熔融石英粉末采用压制烧结工艺，获得高致密度熔融石英陶瓷材料。
1）压制：采用模压成形，模压压制压力为300MPa，保压时间为30s；
2）烧结：采用快速升温电炉烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为2h，低温阶段慢烧，中温保温排胶，高温阶段快烧快冷。

Claims (1)

1.一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
1)同质溶胶包覆熔融石英粉末的制备：以异丙醇为共溶剂，在强力搅拌机作用下，用盐酸催化正硅酸乙酯(TEOS)水解，水浴加热，反应生成硅溶胶，然后将经过超声分散好的熔融石英粉置入硅溶胶中继续搅拌完成包覆工艺，搅拌机转速控制在1000rad/min～3000rad/min；包覆完成后对样品进行洗涤、过滤、干燥和磨细，得到包覆粉末；
2)煅烧：将所述表面包覆粉末置于煅烧炉中，煅烧温度为600～700℃，煅烧时间为2～3h，获得煅烧后的包覆粉末；
3)致密化：将煅烧后的包覆粉末采用压制烧结工艺，获得高致密度熔融石英陶瓷材料；
其中步骤1)所述包覆工艺为：
所用催化剂盐酸的浓度为0.01mol/L～0.1mol/L，正硅酸乙酯加入量为反应体系总体积分数的20％～40％，水硅比(水与TEOS的摩尔比)R(n(H2O)：n(TEOS))＝5～35，水浴温度40℃～80℃；
步骤3)所述压制烧结工艺为：
1)压制：采用模压或冷等静压，模压压制压力为200MPa～400MPa，保压时间为5～30s；冷等静压压力为150～300MPa，保压时间30～90min；
2)烧结：采用快速升温电炉烧结，烧结温度为1100～1250℃，保温时间为1～4h，低温阶段慢烧，中温保温排胶，高温阶段快烧快冷。
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霍玉秋 等.3 种共溶剂对正硅酸乙酯水解的影响.《东北大学学报(自然科学版)》.2004,第25卷(第2期),摘要、1.2正硅酸乙酯水解溶胶-凝胶过程、图2. *

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