本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種高致密度熔融石英陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
石英陶瓷是指以石英玻璃或者熔融石英為原料，僅破碎、成型、燒成等一系列陶瓷制作工藝制得的制品，又稱為熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷。熔融石英陶瓷由于擁有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性、低的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良性能，在冶金、玻璃、化工、航天等多個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。熔融石英陶瓷主要具有以下優(yōu)點：
1）熱膨脹系數(shù)小。純的熔融石英陶瓷熱膨脹系數(shù)（室溫條件下）僅為0.54×10-6/℃，與石英玻璃的熱膨脹系數(shù)相同，具有良好的體積穩(wěn)定性。因此熔融石英陶瓷具有良好的熱震穩(wěn)定性，可多次用于冷熱交換的環(huán)境中。
2）熔融石英陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，除了氫氟酸以及300℃以上的熱濃磷酸對其有侵蝕外，其他的酸堿液對石英陶瓷幾乎沒有作用。
3）熔融石英陶瓷具有穩(wěn)定的熱導(dǎo)率，隨著溫度的變化其熱導(dǎo)率幾乎不變。
4）熔融石英陶瓷的彎曲強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加。
5）熔融石英陶瓷坯體在干燥燒成時收縮率非常小。
除上述優(yōu)點以外，熔融石英陶瓷還具有好的電性能、核性能以及相轉(zhuǎn)變性能等優(yōu)點。熔融石英陶瓷雖然具有上述優(yōu)良的特性，但是與其他結(jié)構(gòu)陶瓷相比，其強(qiáng)度和致密性明顯偏低，作為耐火材料使用足夠，但是無法作為工業(yè)陶瓷使用。如何提升熔融石英陶瓷的致密度，從而提升熔融石英陶瓷的強(qiáng)度和物理性能是熔融石英陶瓷制備工藝的研究重點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
傳統(tǒng)石英陶瓷的生產(chǎn)過程中，普遍采用的成型工藝是注漿成型法，其次還有離心澆注成型、澆灌成型、蠟注成型、半干法成型、等靜壓成型等方法。上述這些方法中普遍存在顯微結(jié)構(gòu)不均勻、材料可靠性差、制品致密度低、強(qiáng)度低的缺點，而且效率低下、難以適應(yīng)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要。
本發(fā)明中考慮到傳統(tǒng)成型工藝遠(yuǎn)不能滿足各領(lǐng)域?qū)θ廴谑⑻沾傻囊?，采用注凝成型技術(shù)，將陶瓷粉末顆粒分散于含有有機(jī)聚合物和交聯(lián)劑的熔液中，形成低粘度、高固相體積含量的濃懸浮體（即料漿），然后加入引發(fā)劑，將這種料漿注入模型中，在一定的溫度條件下，有機(jī)聚合物交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結(jié)固化形成坯體。該方法大大提高了陶瓷之間顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，增加了陶瓷材料的可靠性。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題通過以下步驟予以實現(xiàn)：
本發(fā)明提供的一種高致密度熔融石英陶瓷的制備方法，包括如下步驟：
A、將高純?nèi)廴谑⒎哿线M(jìn)行混合，其中熔融石英粉料的粒度分布及所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：5-8μm，2-5wt%；8-21μm，6-8wt%；21-58μm，10-20wt%；58-114μm，35-39wt%；114-160μm，18-25 wt %；160-175μm，8-15 wt %；將上述高純?nèi)廴谑⒎哿霞尤肴ルx子水以及占粉料質(zhì)量為0.25-0.3%的聚乙烯醇、0.35-0.42%的乳酸、0.1-0.2%碳酸氫三鈉制成固含量為75-80vol%的料漿；
進(jìn)一步優(yōu)選原料，步驟A中的熔融石英粉料的純度大于99.99wt%。
熔融石英粉料的選擇直接關(guān)系著料漿的質(zhì)量，料漿的性能則取決于液相和固相的性能以及液固兩相的相互作用。熔融石英粉料的粒徑分布很大一部分程度上決定了料漿中固相顆粒的狀態(tài)，粉料顆粒的分散性則很大程度上取決于顆粒表面化學(xué)組成及吸附狀態(tài)。制備料漿的主要目的是制備出組分均勻分布、穩(wěn)定性好且流動性好的能夠滿足成形及坯體性能要求的料漿。
當(dāng)熔融石英粉體顆粒的粒徑小于20μm時，粉體顆粒會與水作用形成溶膠，適量溶膠的存在能夠增加料漿的塑性，而過量的溶膠存在則會使料漿的粘度變大，觸變性變強(qiáng)，加大澆注步驟中的難度。故本發(fā)明中，將熔融石英粉料粒度分為6個不同的范圍，控制每個范圍所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，即控制了料漿中形成的溶膠的量和料漿固體顆粒之間的作用及分布。聚乙烯醇和乳酸的加入可以使SiO2粉體顆粒的表面張力降低，潤濕性提高，從而改善料漿的流動性。酒石酸可吸附于SiO2粉體顆粒表面，減弱體系內(nèi)離子之間的吸引力，提升排斥力位能，使高固相料漿中含有足夠的自由水，從而保持料漿具有良好的流動性。聚乙烯醇、乳酸、碳酸氫三鈉作為分散劑和pH調(diào)節(jié)劑配合使用，控制其添加量能夠有效改善SiO2粉體顆粒表面的潤濕性，提升料漿的穩(wěn)定性。
再進(jìn)一步地，步驟A中的熔融石英粉料中還可添加占其質(zhì)量百分比為0.35-0.65%的Si3N4粉體，所述加入的Si3N4粉體粒徑為40-60μm。熔融石英粉體中加入Si3N4粉體可提升整體石英陶瓷的強(qiáng)度，在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，采用添加占SiO2粉體顆粒質(zhì)量百分比為0.35-0.65%的50-80μm的Si3N4粉體最佳。
再進(jìn)一步地，步驟A中的熔融石英粉料中還可添加占其質(zhì)量百分比為0.35-0.65%的二氧化硅氣凝膠粉體。所述二氧化硅氣凝膠比表面積為400-500m2/g，密度為65kg/m3。二氧化硅氣凝膠具有大的比表面積和高的孔隙率，在料漿中具有良好的分散性和懸浮性，能夠有效調(diào)節(jié)料漿的黏度和觸變性能，適量添加可促進(jìn)料漿均勻分散和增強(qiáng)其流動性。
B、將40wt%丙烯酰胺水溶液與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺以質(zhì)量比21.2-25:1進(jìn)行混合，攪拌溶解制得預(yù)混液；
進(jìn)一步優(yōu)選，步驟B中40wt%丙烯酰胺水溶液與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺的質(zhì)量比為22-23:1。
C、將步驟A中的料漿、燒結(jié)助劑、步驟B中的預(yù)混液以質(zhì)量比為38-42:1:2-4進(jìn)行混合，以450-800r/min轉(zhuǎn)速下分散30-60min，然后加入占預(yù)混液質(zhì)量1.5-4%的過硫酸銨，攪拌均勻后得到成型料漿；
本發(fā)明中采用的注凝成型技術(shù)中選擇使用丙烯酰胺及N,N-亞甲基雙丙烯酰胺的預(yù)混液作為液體介質(zhì)，采用過硫酸銨作為引發(fā)劑，在成型的過程中利用丙烯酰胺的聚合反應(yīng)完成料漿的固化。丙烯酰胺的聚合反應(yīng)過程為：首先引發(fā)劑分解，形成初級自由基，初級自由基與單體加成，生成單體自由基，單體自由基不斷與單體分子結(jié)合，形成鏈自由基，上述反應(yīng)不斷進(jìn)行，生成聚丙烯酰胺長鏈聚合物，最終完成單體的聚合反應(yīng)。料漿通過丙烯酰胺的聚合反應(yīng)完成固化成型，成型的坯體以聚丙烯酰胺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為骨架，石英粉料顆粒與聚合物凝膠通過吸附作用形成具有一定強(qiáng)度和韌性的坯體。
進(jìn)一步優(yōu)選，步驟C中的燒結(jié)助劑為氧化鋁粉體、氧化鋯粉體、碳化鋯粉體、氮化硼粉體中的一種。所述燒結(jié)助劑粉體粒度為20-30μm。
D、將步驟C中制得的成型料漿注入動態(tài)注凝成型裝置的模具中，振動20-30min，將坯體與模具一起放置于烘箱中進(jìn)行固化，固化溫度為72-78℃，固化時間為3-4h，冷卻后打開模具即得所需陶瓷生坯。
E、將步驟D中的生坯在高溫爐中以1175-1200℃溫度燒制成型，保溫時間為2-3h，即制成所需熔融石英陶瓷。
進(jìn)一步地，步驟E中燒制成型步驟具體為：以3-5℃/min由室溫升至900℃，保溫10min后，再以6-8℃/min升至1175-1200℃，保溫后隨爐冷卻。
熔融石英陶瓷收到方石英析晶的影響，燒制成型的溫度不宜超過1300℃，本發(fā)明中的熔融石英陶瓷燒結(jié)在900℃時開始，然后通過快速升溫至所需燒結(jié)溫度，可在最大程度上控制燒制成型的收縮率。添加適量的燒結(jié)助劑有助于進(jìn)一步提高注凝成型制品的燒結(jié)程度和致密程度。
本發(fā)明具有如下有益效果：
1、本發(fā)明提供的一種熔融石英陶瓷的制備方法采用注凝成型技術(shù)，將陶瓷粉末顆粒分散于含有有機(jī)聚合物和交聯(lián)劑的溶液中，形成低粘度、高固相體積含量的濃懸浮體（即料漿），然后加入引發(fā)劑，將這種料漿注入模型中，在一定的溫度條件下，有機(jī)聚合物交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結(jié)固化形成坯體。該方法大大提高了陶瓷之間顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，增加了陶瓷材料的可靠性。
2、本發(fā)明中提供的制備方法制備出的熔融石英陶瓷制品致密度高、強(qiáng)度好，能夠作為工業(yè)陶瓷使用。
3、本發(fā)明中提供的熔融石英陶瓷的制備方法工藝簡單易行，無需額外的加工設(shè)備，可進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
實施例1
1、熔融石英成型料漿的制備
實施例中原料采用純度大于99.99wt%的熔融石英粉料。
將高純?nèi)廴谑⒎哿习凑找韵铝６确植技八假|(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行混合：5-8μm，5wt%；8-21μm，8wt%；21-58μm，15wt%；58-114μm，36wt%；114-160μm，21 wt %；160-175μm，15 wt %。將上述高純?nèi)廴谑⒎哿霞尤肴ルx子水以及占粉料質(zhì)量為0.26%的聚乙烯醇、0.38%的乳酸、0.2%碳酸氫三鈉制成固含量為80vol%的料漿。
將40wt%丙烯酰胺水溶液與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺以質(zhì)量比23:1進(jìn)行混合，攪拌溶解制得預(yù)混液。
將上述制得的料漿、氧化鋯粉、預(yù)混液以質(zhì)量比40:1:4進(jìn)行混合，在750r/min轉(zhuǎn)速下分散60min，然后加入占預(yù)混液質(zhì)量3.5%的過硫酸銨，攪拌均勻后得到成型料漿。其中氧化鋯粉粉體粒度為25μm。
2、生坯及燒成
將成型料漿注入動態(tài)注凝成型裝置的模具中，振動30min，將坯體與模具一起放置于烘箱中進(jìn)行固化，固化溫度為75℃，固化時間為4h，冷卻后打開模具即得所需陶瓷生坯。
將生坯在高溫爐中以1185℃條件下燒制成型，保溫2h，隨爐冷卻后得到所需熔融石英陶瓷。燒制成型步驟具體為：以3℃/min由室溫升至900℃，保溫10min后，再以8℃/min升至1185℃，保溫后隨爐冷卻。
實施例2
本實施例中工藝條件及原料與實施例1保持一致，不同點在于：在熔融石英粉料中添加占其質(zhì)量百分為為0.55%的Si3N4粉體，且Si3N4粉體粒徑為45μm。
實施例3
本實施例中工藝條件及原料與實施例1保持一致，不同點在于：在熔融石英粉料中添加占其質(zhì)量百分為為0.5%的二氧化硅氣凝膠微粉，二氧化硅氣凝膠比表面積為450m2/g，密度為65kg/m3。
實施例4
本實施例中工藝條件及原料與實施例1保持一致，不同點在于：燒結(jié)助劑采用粒度為25μm的氧化鋁粉體。
實施例5
本實施例中工藝條件及原料與實施例1保持一致，不同點在于：燒結(jié)助劑采用粒度為25μm的碳化鋯粉體。
實施例6
本實施例中工藝條件及原料與實施例1保持一致，不同點在于：燒結(jié)助劑采用粒度為25μm的氮化硼粉體。
實施例1-6中所制得的熔融石英陶瓷制品表面光滑平整無任何表面凸起（一般為由析晶引起的缺陷）、致密度高。實施例2中的熔融石英陶瓷制品強(qiáng)度最佳，實施例3中的熔融石英陶瓷制品致密度最佳，實施例4-6中的熔融石英陶瓷制品與實施例1中制得的熔融石英陶瓷制品無顯著區(qū)別。
最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明實施例進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明實施例技術(shù)方案的范圍。