專利名稱：低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料制備技術(shù)，尤其涉及納米陶瓷制品的制備工藝方法的創(chuàng)新。
背景技術(shù)：
目前世界上各國都在大力開發(fā)納米材料的制備及應(yīng)用技術(shù)，而納米陶瓷是其中的一大重要領(lǐng)域，并在其制備工藝方面取得了一定的進展1、在納米粉末制備工序中，制備氧化物陶瓷納米粉末有已趨成熟的共沉淀法和高溫熱分解法，缺點是粉末的分離或分散困難，或后續(xù)生產(chǎn)過程復雜，應(yīng)用范圍有限；制備非氧化物陶瓷納米粉末主要用金屬醇鹽水解路線的溶膠-凝膠法、以及化學氣相沉積法，缺點是原料成本高、工藝復雜、難以在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。2、在納米粉末燒結(jié)工序中，不論上述那種粉末，均由于粉末粒徑極細、表面活性極高，造成高溫燒結(jié)時晶粒生長太快，以致得不到晶粒均勻、致密的納米陶瓷，而僅是亞微米甚至微米陶瓷。3、采用熱壓、熱等靜壓燒結(jié)、或小試樣的快速等溫燒結(jié)等方法，可在一定程度上解決上述問題，缺點是對燒成設(shè)備的控制要求很高，且難制備復雜形狀和大尺寸納米陶瓷制品。
而總體來看，現(xiàn)在所有納米陶瓷制品制備技術(shù)都經(jīng)過上述粉末制備、模具成型、高溫燒結(jié)三道工序，以致無論所制備的粉末多細，如何成型，最后一道燒結(jié)工序的結(jié)果總是燒結(jié)致密化的動力來自納米粉末高的表面活化能，內(nèi)外均勻性差別導致晶粒的異常長大和晶粒內(nèi)部與界面結(jié)構(gòu)不一致，不能完全消除殘留氣孔，均勻性和可靠性差，生產(chǎn)過程復雜、周期長、效率低，難以制備復雜形狀的制品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對現(xiàn)有納米陶瓷制備技術(shù)的上述問題，旨在發(fā)明一種能產(chǎn)生均質(zhì)相態(tài)的析晶母體，以在其中進行原位受控晶化的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)。
為達上述目的，本發(fā)明的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，由以下工序依次組成(A)高溫溶膠工序即將各種礦物原料的粉體與晶核劑等化工原料混合均勻后，送入高溫爐中熔融，得到均質(zhì)玻璃熔體；(B)凝膠成型工序?qū)⑸鲜龉ば蛩玫木|(zhì)玻璃熔體，直接注入成型模具中，在控制適當降溫條件下成型、脫模；(C)原位受控晶化工序?qū)⒚撃：蟮牟Ａz坯件，根據(jù)其晶核劑及各種原料的配方組成，直接導入特定程序的熱處理加工，使其從凝膠玻璃態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級微晶態(tài)。
所述的特定程序的熱處理加工是在玻璃凝膠坯件脫模后，即進行退火操作，退火操作冷卻后即進入程序升溫操作，直至玻璃凝膠發(fā)生核化、晶化。
所述的退火操作的起始溫度600±50℃，冷卻速度不大于200℃/小時，退火終點室溫～300℃；退火持續(xù)時間3～5小時；程序升溫操作的首段升溫速度300℃/小時-MAX，首段保溫800±50℃，保溫時間0.5-1.0小時，程序升溫操作的末段升溫速度100℃/小時-MAX，末段保溫900±50℃，保溫時間1.0-2.0小時。
所述的高溫溶膠工序溫度為1400±50℃，持續(xù)時間1.0～2.0小時；所述的凝膠成型工序中成型模具為鋼質(zhì)材料，成型模具預(yù)熱溫度控制為500±50℃，所述的脫模是在玻璃冷卻至700℃±50℃條件下進行。
所述的晶核劑是復合型的配方，其中包括氟化物、磷酸鹽、硅酸鋯、氧化鉻中某些組分。
所述的各種礦物原料是天然礦物或冶金工業(yè)廢渣，并加工其粒度細于60目。
本發(fā)明采用高溫溶膠—凝膠、原位受控晶化、并配合優(yōu)選的復合晶核劑的工藝路線，以凝膠玻璃體作為均相析晶母體，因而解決了以復合晶核劑作誘導，從均相的凝膠玻璃體原位生成晶核并發(fā)育出納米微晶體的技術(shù)問題，實現(xiàn)了均勻析晶、控制晶粒長大及結(jié)晶形貌等工藝技術(shù)目標，所獲得的納米微晶陶瓷晶粒均勻，晶粒尺寸在納米級(50-200納米)，晶相含有率高達90％以上，材料致密無氣孔，抗彎強度在300MPa以上，顯微硬度達10-12GPa，而且可獲得復雜形狀和近凈尺寸的微晶陶瓷制品；因為減少了整個工藝路線中的操作次數(shù)，節(jié)約了熱能消耗，簡化了工藝流程、減少了設(shè)備投入，經(jīng)濟、社會效益非常顯著。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作出說明。


圖1為本發(fā)明的制備技術(shù)實施例的工序流程原理圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的制備技術(shù)實施例由以下工序依次組成高溫溶膠工序A即將各種礦物原料1與包括氟化物、磷酸鹽、硅酸鋯、氧化鉻中某些組分的復合晶核劑2及化工原料3，加工成粒度細于60目的粉體，在料斗4中混合均勻后，送入高溫爐5中熔融，爐溫1400±50℃，持續(xù)時間1.0～2.0小時，得到均質(zhì)玻璃熔體6；凝膠成型工序B將上述工序所得的均質(zhì)玻璃熔體6，直接注入鋼質(zhì)成型模具7中，控制成型模具7的預(yù)熱溫度為500±50℃，待玻璃冷卻至700℃±50℃后脫模，得到玻璃凝膠坯件8；原位受控晶化工序C將脫模后的玻璃凝膠坯件8，隨即送入熱處理窯爐9中進行退火操作，所述的退火操作的起始溫度600±50℃，冷卻速度不大于200℃/小時，退火終點室溫～300℃，退火持續(xù)時間3～5小時；程序升溫操作的首段升溫速度300℃/小時-MAX，首段保溫800±50℃，保溫時間0.5-1.0小時；程序升溫操作的末段升溫速度100℃/小時-MAX，末段保溫900±50℃，保溫時間1.0-2.0小時，使坯件8從凝膠玻璃態(tài)發(fā)生核化、晶化，直至轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級微晶態(tài)制品10。
實施例1高溫溶膠工序A*原料配方(W)石英30， 鉀長石20， 白云石 13，方解石 25， 螢石粉6， 硼砂3，硝酸鉀 1，硫酸鈉1， 磷酸鈣 3。
*高溫熔融將上述原料1、2、3粉碎到60目并混勻后，置于氧化鋁坩堝類容器內(nèi)放入以碳化硅為發(fā)熱元件的電爐5內(nèi)，在1400℃下熔融，保溫1小時，得到熔制均勻的玻璃熔體6。
凝膠成型工序B取出坩堝，將熔制好的玻璃液6倒入已預(yù)熱到500℃的鋼制模具7內(nèi)形成所需形狀的玻璃凝膠坯件8，然后在玻璃冷卻至700℃±50℃條件下進行脫模。
原位受控晶化工序C*退火操作將脫模后的玻璃凝膠坯件8放入600℃的熱處理爐9中，以不大于200℃/小時的冷卻速度持續(xù)緩慢退火至室溫。
*程序升溫操作再將玻璃凝膠坯件8從室溫開始進行首段升溫，升溫速度不大于300℃/小時，直到首段保溫溫度800℃，保溫時間1小時；然后再進入末段升溫，升溫速度不大于100℃/小時，直到末段保溫溫度900℃，保溫時間2小時，即得納米微晶陶瓷制品坯件10。
*產(chǎn)品特點該系列納米微晶陶瓷的化學組成范圍為(W％)SiO250-55，Al2O34-6， CaO 20-24，MgO 5-8， K2O2-3， Na2O1-1.5，B2O31.5-2， CaF2 6-8， P2O52-3。晶粒尺寸50-200納米，抗彎強度300-350Mpa，顯微硬度10-12Gpa。
實施例2高溫溶膠工序A*原料配方(W)鋼渣33， 高爐水渣 25， 石英粉 24，高嶺土 18， 鋯英砂6， 氧化鉻 1，硫酸鈉 1。
*高溫熔融將上述原料1、2、3粉碎到60目并混勻后，置于氧化鋁坩堝類容器內(nèi)放入碳化硅爐芯的電爐5內(nèi)，在1380℃下熔融，保溫1小時，得到熔制均勻的玻璃熔體6。
凝膠成型工序B取出坩堝，將熔制好的玻璃液6倒入已預(yù)熱到500℃的鋼制模具7內(nèi)形成所需形狀的玻璃凝膠坯件8，然后在玻璃冷卻至700℃±50℃條件下進行脫模。
原位受控晶化工序C*退火操作將脫模后的玻璃凝膠坯件8放入600℃的熱處理爐9中，以不大于200℃/小時的冷卻速度持續(xù)3～5小時緩慢退火至室溫。
*程序升溫操作再將玻璃凝膠坯件8從室溫開始進行首段升溫，升溫速度不大于300℃/小時，直到首段保溫溫度780℃，保溫時間0.5小時；然后再進入末段升溫，升溫速度不大于100℃/小時，直到末段保溫溫度900℃，保溫時間1小時，即得納米微晶陶瓷制品坯件10。
*產(chǎn)品特點該系列納米微晶陶瓷得化學組成范圍為(W％)SiO2 45-50， Al2O38-12，CaO 18-22，MgO4-6，K2O＋Na2O1-1.5，F(xiàn)e2O38-12， ZrO2 4-6， Cr2O30.5-1。
晶粒尺寸50-200納米，抗彎強度350-420MPa，顯微硬度10-13GPa。
權(quán)利要求
1.一種低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于該制備技術(shù)由以下工序依次組成(A)高溫溶膠工序即將各種礦物原料的粉體與晶核劑等化工原料混合均勻后，送入高溫爐中熔融，得到均質(zhì)玻璃熔體；(B)凝膠成型工序?qū)⑸鲜龉ば蛩玫木|(zhì)玻璃熔體，直接注入成型模具中，在控制適當降溫條件下成型、脫模；(C)原位受控晶化工序?qū)⒚撃：蟮牟Ａz坯件，根據(jù)其晶核劑及各種原料的配方組成，直接導入特定程序的熱處理加工，使其從凝膠玻璃態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級微晶態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于所述的特定程序的熱處理加工是在玻璃凝膠坯件脫模后，隨即進行退火操作，退火操作冷卻后即進入程序升溫操作，直至玻璃凝膠發(fā)生核化、晶化。
3.如權(quán)利要求2所述的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于所述的退火操作的起始溫度600±50℃，冷卻速度不大于200℃/小時，退火終點室溫～300℃，退火持續(xù)時間3～5小時；程序升溫操作的首段升溫速度300℃/小時-MAX，首段保溫800±50℃，保溫時間0.5-1.0小時；程序升溫操作的末段升溫速度100℃/小時-MAX，末段保溫900±50℃，保溫時間1.0-2.0小時。
4.如權(quán)利要求1、2、3中任一所述的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于所述的高溫溶膠工序溫度為1400±50℃，持續(xù)時間1.0～2.0小時；所述的凝膠成型工序中成型模具為鋼質(zhì)材料，成型模具預(yù)熱溫度控制為500±50℃，所述的脫模是在玻璃冷卻至700℃±50℃條件下進行。
5.如權(quán)利要求4所述的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于所述的晶核劑是復合型的配方，其中包括氟化物、磷酸鹽、硅酸鋯、氧化鉻中某些組分。
6.如權(quán)利要求5所述的低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù)，其特征在于所述的各種礦物原料是天然礦物或冶金工業(yè)廢渣，并加工其粒度細于60目。
全文摘要
一種低成本納米微晶陶瓷制品的制備技術(shù),含以下工序:a.高溫溶膠工序:將礦物原料粉體與晶核劑等化工原料混勻,送入高溫爐中熔融,得到均質(zhì)玻璃熔體;b.凝膠成型工序:將所得均質(zhì)玻璃熔體直接注入經(jīng)預(yù)熱的鋼制模具中,在控制降溫速率的條件下成型、脫模;c.原位受控晶化工序:將脫模后的玻璃凝膠坯件,根據(jù)其晶核劑及各種原料的配方,直接導入特定程序的熱處理加工,使其從凝膠玻璃態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米級微晶態(tài)。本發(fā)明實現(xiàn)了均勻析晶、控制晶粒長大及結(jié)晶形貌等工藝目標,所獲納米微晶陶瓷具有晶粒均勻,晶粒尺寸50－200納米,晶相含有率高達90%以上,致密無氣孔,抗彎強度300MPa以上,顯微硬度達10－12GPa,且可獲得復雜形狀和近凈尺寸的微晶陶瓷制品。
文檔編號C04B35/624GK1336340SQ0112859
公開日2002年2月20日 申請日期2001年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月12日
發(fā)明者肖漢寧, 李玉平 申請人:湖南大學