CN113956024B - 一种抗热震复相陶瓷材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗热震复相陶瓷材料，具体涉及的抗热震复相陶瓷材料直接以氧化铝、氧化锆、莫来石为原料，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为60％～68％、氧化锆的质量百分比为15％～21％、莫来石的质量百分比为11％～25％，所述氧化铝与氧化锆、莫来石的加入量之和为100％。与现有技术相比，本发明制备的复相陶瓷材料，直接加入高硬度、高抗压强度的氧化铝，较低热膨胀系数的莫来石和耐腐蚀性、高熔点的氧化锆，具有高强度、抗热震性能好等特点，制备简单，易操作，成本低。

Description

一种抗热震复相陶瓷材料
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料，尤其是涉及一种抗热震复相陶瓷材料。
背景技术
陶瓷材料具有较高的硬度、抗氧化、耐腐蚀等特点，被广泛应用于各种场景，但陶瓷材料本身是脆性的，在经受热冲击时，容易发生断裂从而限制了陶瓷材料的应用范围。
氧化铝(Al2O3)有多种结晶态，具有较高的熔点(～2015℃)、硬度、杨氏模量；耐磨性好、价格低廉、资源丰富等特点，应用广泛，但单纯氧化铝陶瓷材料抗热震性差，经300℃温差热震后强度保持率仅为22％。
中国专利CN106927840B公开了一种抗热震复相陶瓷及基于该材料的陶瓷漏嘴的制备方法，制备原料的质量分数分别为Al2O3 69.01％～76.00％、ZrO2 17.01％～24.13％、SiO2 5.29％～5.97％、MgO 0.05％～0.89％或Y2O3 0.05％～1.33％、TiO2 0.05％～0.19％、结合剂0.5％～1.5％混合，90～220MPa等静压成型后在1630～1680℃温度范围内高温烧结，制得抗热震复相陶瓷材料漏嘴，具有耐高温、耐熔融金属侵蚀，抗热震性优越等特点。但是该专利中莫来石是由Al2O3形成的刚玉相基质相与加入的SiO2烧结而成的，该专利需要经90～220MPa等静压成型，在1630℃-1680℃温度范围内高温烧结，制备复杂，成本高，且该发明未具体表明所发明的抗热震陶瓷材料的抗热震性能。
《氧化铝-莫来石高温复合陶瓷改性研究》(范芳，硅酸盐通报，2020年第4期)公开了氧化铝-莫来石-氧化锆复合陶瓷的制备方法，所用原料质量分数为氧化铝52％，莫来石26％，氧化锆22％，此方法通过降低氧化铝含量，增加莫来石含量来提高材料的抗热震性，但制得的材料的机械强度不高(为200～205MPa)，体积密度为3.5g/cm3，从而不能提高氧化铝-氧化锆-莫来石复相陶瓷的强度，且该陶瓷材料1500℃～20℃空冷热震仅提高50％。
因此，研究开发抗热震性能强、力学性能好的陶瓷材料受到广泛关注。
发明内容
为了克服现有陶瓷材料的不足，本发明提供一种耐高温、高强度的抗热震复相陶瓷材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种抗热震复相陶瓷材料，以氧化铝为主晶相，氧化锆、莫来石为结合相，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为60％～68％、氧化锆的质量百分比为15％～21％、莫来石的质量百分比为11％～25％，所述氧化铝与氧化锆、莫来石的加入量之和为100％。
在本发明的一个实施方式中，所述莫来石为电熔莫来石。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为60％、氧化锆的质量百分比为15％、莫来石的质量百分比为25％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为61％、氧化锆的质量百分比为21％、莫来石的质量百分比为18％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为65％、氧化锆的质量百分比为18％、莫来石的质量百分比为17％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为65％、氧化锆的质量百分比为15％、莫来石的质量百分比为20％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为68％、氧化锆的质量百分比为16％、莫来石的质量百分比为16％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为68％、氧化锆的质量百分比为15％、莫来石的质量百分比为17％。
在本发明的一个实施方式中，所述抗热震复相陶瓷材料的制备方法为：取氧化铝、氧化锆、莫来石，加入去离子水通过湿法球磨，然后经干燥箱进行干燥后，过筛、造粒，经干压成型，烧结，随炉冷却，得到所述抗热震复相陶瓷材料。
在本发明的一个实施方式中，所述干压成型的条件为：30-40MPa条件下干压成型。
在本发明的一个实施方式中，所述烧结的条件为：1580-1620℃下保温1.5-2.5小时进行烧结。
现有技术通过降低氧化铝含量，增加莫来石含量来提高材料的抗热震性。而本申请在提高氧化铝含量的前提下优化原料配方和制备工艺，提高材料的性能，是一种不同于现有技术的技术构思。
本发明抗热震复相陶瓷材料，在氧化铝陶瓷材料中引入氧化锆与莫来石可提高复相陶瓷的抗热震性。将氧化锆(ZrO2)添加到氧化铝陶瓷材料中，通过相变引起的体积效应缓解热震产生的热应力，提高复相材料的抗弯强度和断裂韧性。莫来石(2SiO2·3Al2O3)耐高温、导热系数小、热膨胀系数低，将莫来石引入到复相陶瓷，通过降低复相陶瓷的热膨胀性提高复相陶瓷的抗热震性。
根据抗热震原理，本发明在高熔点、高硬度的氧化铝原料的基础上，加入耐腐蚀性能好、强度高的氧化锆以及低热膨胀系数的莫来石，使得所得的成品只含有三相，分别为：α-氧化铝相、氧化锆相和莫来石相，具有抗压强度高，致密度高，抗热震性好等特点。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
本申请中添加的莫来石为电熔莫来石，电熔莫来石相比现有技术中由Al2O3形成的刚玉相基质相与加入的SiO2烧结而成的莫来石，其抗热震性有所提升，高温力学性能相对较好。
本申请通过优化原料配方和制备工艺，得到最佳配方，使得抗热震复相陶瓷材料具有更高的密度、机械强度和抗热震性。
由于本发明所采用的氧化铝资源丰富，且价格低廉，故所得成品成本低；由于本发明所采用的原料杂质相少，故所得成品的纯度高；由于本发明采用的原料都能提高复相材料的抗热震性，故所得成品抗压强度高，力学性能好。
附图说明
图1：实施例2抗热震复相陶瓷X－Ray图谱及分析结果，可以看出所得复相陶瓷只含有α-氧化铝相、氧化锆相和莫来石相；
图2：实施例2抗热震复相陶瓷粉末SEM照片，1点较亮处为氧化锆，可以看出颗粒整体形态完整，颗粒大小与尺寸分布均匀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中，材料的性能测试方法说明如下：
(1)致密度：采用阿基米德排水法测出的试样体积。
(2)弯曲强度：采用三点弯曲法，具体依照GB/T 6569-2006精细陶瓷弯曲强度试验方法。
(3)抗热震性能：按照《YB/T 376.3-2004》，将加热炉预热到1500℃±10℃，保温15min后，迅速将试样***炉膛内，保温20min，取出试样迅速将试样放于空气流动的地方，测试完成后将试样置于红墨水中，静止30min后取出观看其有无裂纹，并测试其抗折强度。
实施例1
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝60％，莫来石25％，氧化锆15％，加入适量去离子水通过湿法球磨5h，然后经干燥箱进行干燥10h后，过筛、造粒，经31MPa干压成型，在1600℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
实施例2
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝61％，莫来石18％，氧化锆21％，加入适量去离子水通过湿法球磨5h，然后经干燥箱进行干燥10h后，过筛、造粒，经31MPa干压成型，在1600℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
实施例3
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝65％，莫来石17％，氧化锆18％，加入适量去离子水通过湿法球磨3h，然后经干燥箱进行干燥10h后，过筛、造粒，经40MPa干压成型，在1610℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
实施例4
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝65％，莫来石20％，氧化锆15％，加入适量去离子水通过湿法球磨5h，然后经干燥箱进行干燥8h后，过筛、造粒，经40MPa干压成型，在1580℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
实施例5
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝68％，莫来石16％，氧化锆16％，加入适量去离子水通过湿法球磨2h，然后经干燥箱进行干燥8h后，过筛、造粒，经40MPa干压成型，在1620℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
实施例6
本实施例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝68％，莫来石17％，氧化锆15％，加入适量去离子水通过湿法球磨2h，然后经干燥箱进行干燥8h后，过筛、造粒，经31MPa干压成型，在1590℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
对比例
对比例抗热震复相陶瓷材料坯料的质量百分比为：氧化铝52％，莫来石26％，氧化锆22％，加入适量去离子水通过湿法球磨2h，然后经干燥箱进行干燥12h后，过筛、造粒，经16MPa干压成型，在1650℃温度下保温2h烧结，随炉冷却，得到氧化铝基复相材料。相关数据见表1。
表1各实施例和对比例所得材料的性能数据
Figure BDA0003381166390000051
实施例1与实施例2可以看出，制备工艺一致，唯一区别在于成分配比不同，所得到的材料性能差别较大，因此主要影响因素为原料配比。其余实施例除了原料配比不同外，制备工艺也略不同，如球磨时间、干燥时间、压力大小、烧结温度，但都不是主要影响因素。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，以氧化铝为主晶相，氧化锆、莫来石为结合相，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为60%~68%、氧化锆的质量百分比为15%~21%、莫来石的质量百分比为11%~25%，所述氧化铝与氧化锆、莫来石的加入量之和为100%；
所述莫来石为电熔莫来石；
所述抗热震复相陶瓷材料的制备方法为：取氧化铝、氧化锆、莫来石，加入去离子水通过湿法球磨，然后经干燥箱进行干燥后，过筛、造粒，经干压成型，烧结，随炉冷却，得到所述抗热震复相陶瓷材料，所述干压成型的条件为：30-40 MPa条件下干压成型，所述烧结的条件为：1580-1620℃下保温1.5-2.5小时进行烧结；
将氧化锆添加到氧化铝陶瓷材料中，通过相变引起的体积效应缓解热震产生的热应力，提高复相材料的抗弯强度和断裂韧性，将莫来石引入到复相陶瓷，通过降低复相陶瓷的热膨胀性提高复相陶瓷的抗热震性；所述抗热震复相陶瓷材料只含有三相，分别为：α-氧化铝相、氧化锆相和莫来石相。
2.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为60%、氧化锆的质量百分比为15%、莫来石的质量百分比为25%。
3.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为61%、氧化锆的质量百分比为21%、莫来石的质量百分比为18%。
4.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为65%、氧化锆的质量百分比为18%、莫来石的质量百分比为17%。
5.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为65%、氧化锆的质量百分比为15%、莫来石的质量百分比为20%。
6.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为68%、氧化锆的质量百分比为16%、莫来石的质量百分比为16%。
7.根据权利要求1所述的一种抗热震复相陶瓷材料，其特征在于，所述抗热震复相陶瓷材料中，氧化铝的质量百分比为68%、氧化锆的质量百分比为15%、莫来石的质量百分比为17%。
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