一種人工合成云母超大尺寸單晶的熔制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工合成云母大尺寸單晶的熔制方法，屬于特種材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)比天然礦產(chǎn)云母，人工合成云母具有更高的絕緣性能，質(zhì)地純凈、無色透明、耐 高熱、化學(xué)穩(wěn)定性更好等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于軍工、電子、電力、化工和建筑工 業(yè)之中，成為開發(fā)多種高科技產(chǎn)品的重要原料。云母晶體屬于二維晶體，高溫熔融狀態(tài)下控 制其定向生長(zhǎng)，影響因素復(fù)雜多變，有效控制難度非常大，生產(chǎn)條件要求嚴(yán)格苛刻。
[0003] 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為戰(zhàn)略性新材料的高性能人工合成云母超大晶 體市場(chǎng)量越來越大，人工合成云母超大晶體許多性能都優(yōu)于天然云母，如耐溫高達(dá)1200°c 以上，在高溫條件下，合成氟金云母的體積電阻率比天然云母高1000倍，電絕緣性好、高溫 下真空放氣極低、以及耐酸堿、透明、可分剝和富有彈性等特點(diǎn)，是電機(jī)、電器、電子、航空等 現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)的重要非金屬絕緣材料。
[0004] 國(guó)家需要就是我們的動(dòng)力，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)對(duì)新材料也提出新 要求。這樣，人工合成云母超大單晶，大于323X 139X21.5mm，做為軍工和高科技領(lǐng)域的窗 口材料又被提入議事日程。為了解決軍工和高科技領(lǐng)域的需求，并滿足國(guó)家的需要為目的， 從2015年開始了人工合成云母超大單晶的研制和生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，完善工藝，優(yōu)化熱工 條件，改進(jìn)設(shè)備，從而提供一種人工合成云母超大尺寸單晶的熔制方法，該方法可以合成超 大尺寸的云母單晶體，該單晶體屬于硅酸鹽類人工云母晶體，是在1500°C高溫狀態(tài)下，經(jīng)嚴(yán) 格的工藝條件及材料配比，在鉑金坩堝中熔煉而成的云母晶體（理想化學(xué)式為KMg 3 (AlSi301Q)F2)。人工合成云母大尺寸單晶充分解決了電絕緣、高頻介質(zhì)、高溫真空、高溫高 壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿、分子生物學(xué)研究、DNA結(jié)構(gòu)分析、中子反射試驗(yàn)等領(lǐng)域的亟需材料的問題，具 有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種人工合成云母超大尺寸單晶的熔制方法，包括以下步驟：
[0008] (1)、原材料提純:合成云母(KMg3 (A1 Si301Q)F2)經(jīng)破碎、除雜、浸泡、高壓旋流破碎 后得到粗漿液;粗漿液經(jīng)分離、脫水后得到云母漿;云母漿經(jīng)脫水、烘干、壓制成料錠，料錠 烘干后得提純后的原材料；
[0009] 人工合成超大云母晶體，其特點(diǎn)就是用純凈云母細(xì)小鱗片長(zhǎng)成大的單晶體，不填 加任何助溶劑和其他外加劑;而云母屬于二維晶體，控制生長(zhǎng)非常困難，一點(diǎn)點(diǎn)的雜質(zhì)對(duì)云 母單晶的生長(zhǎng)都會(huì)造成多晶、雜晶或異向生長(zhǎng)，達(dá)不到取得大單晶的目的，所以原料的純度 極為重要，目的是剔除一切非云母晶體的雜質(zhì)。
[0010] (2)原材料加密:將步驟(1)得到的原材料進(jìn)行加熱熔融成液體后，重復(fù)進(jìn)行加料、 熔融過程2次，熔融結(jié)束后將熔融液體冷卻成型并切割成料塊，料塊清洗、烘干后即得加密 后的原材料。
[0011] 經(jīng)過步驟（1)提純后的原材料，雖然經(jīng)過了壓錠處理，但是仍然比較疏松、密度較 小，約1.2g/cm 3;在坩堝內(nèi)進(jìn)行熔融時(shí)，體積也會(huì)變得很小，難以滿足合成云母超大單晶所 需的料量（由于坩堝的容積有限，反應(yīng)條件又不允許將坩堝無限加長(zhǎng)），所以必須提高長(zhǎng)成 超大單晶所需原料的密度(達(dá)2.8g/cm 3)，另外生長(zhǎng)云母超大單晶除一定要足夠的料量以 外，還要始終保持原料的純凈度，絕不能被污染。
[0012] (3)晶體生長(zhǎng):首次進(jìn)行晶體生長(zhǎng)時(shí)，將步驟(2)得到的料塊放入晶體生長(zhǎng)爐中，1/ 3的料塊做為晶種，料塊和晶種在高溫條件下、晶種的定向作用下，云母晶體進(jìn)行二維的順 序結(jié)晶，形成人工合成云母單晶(KMg 3(AlSi3〇1Q)F2);該人工合成云母單晶，選用符合要求的 書狀部分，切割作為下一爐晶體生長(zhǎng)時(shí)的晶種使用；
[0013] 循環(huán)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)時(shí)，將步驟(2)得到的料塊和前一爐得到的晶種一同放入晶體 生長(zhǎng)爐中，料塊和晶種在高溫條件下、晶種的定向作用下，云母晶體進(jìn)行二維的順序結(jié)晶， 形成所述的人工合成云母超大尺寸單晶(KMg3(AlSi3〇io)F2);所述的人工合成云母超大尺寸 單晶，一部分作為下次晶體生長(zhǎng)時(shí)使用的晶種，一部分采收;所述的料塊和晶種的重量比為 1 ~2:1〇
[0014] 上述技術(shù)方案中，步驟(1)中，所述的原材料提純，具體操作步驟如下：
[0015]①前處理:將合成云母破碎，粒徑至少為4目；手選排除云母碎片中的雜質(zhì)，然后用 強(qiáng)磁鐵吸走云母碎片中存在的具有磁性的雜質(zhì)，除雜后的云母碎片備用；
[0016] ②浸泡:將步驟（1)除雜后得到的云母碎片放入塑料箱中，用純凈水沖洗干凈后， 再用純凈水浸泡，浸泡時(shí)間至少為30min，讓水分充分浸潤(rùn)到云母碎片的層間，使云母碎片 軟化；
[0017] ③制備粗漿液:先向純水池中充滿純凈水，然后利用高壓水栗將純凈水導(dǎo)入旋流 制漿破碎機(jī)中，純凈水的壓力為20Kg/cm2，水從旋流制漿破碎機(jī)的出料口流進(jìn)粗漿池中，所 述的粗漿池配設(shè)有渣漿栗;待旋流制漿破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，開啟渣漿栗，使粗漿池中的水能 順暢的流動(dòng)運(yùn)行，并且粗漿池沒有跑、冒、滴、漏的現(xiàn)象;然后將步驟(2)浸泡后得到的云母 碎片從旋流制漿破碎機(jī)的加料口緩慢投入，速度為80~100kg/h;云母碎片和純凈水經(jīng)過高 壓旋流破碎后，經(jīng)旋流制漿破碎機(jī)的出料口流入到粗漿池中，粗漿池中的混合物即為粗漿 液；
[0018] (4)制備云母漿:利用渣漿栗將步驟(3)得到的粗漿液抽出進(jìn)入到旋流器中，在旋 流器中，純凈的云母漿和云母渣得到分離，控制成漿率為20%~25%;其中，得到云母漿經(jīng) 過脫水篩脫水后，目數(shù)為80目~10目的漿液流入到云母漿池中，云母漿池中的產(chǎn)物即為云 母漿，脫除的水分流入純水池中經(jīng)過濾后循環(huán)利用;旋流器排渣口得到的云母渣回收，另作 它用；
[0019] 所述的旋流器，操作條件為:常溫、壓力為1.8Kg/cm2;所述的脫水篩為80目不銹鋼 篩網(wǎng)，操作條件為:常溫、常壓；
[0020] (5)制錠:利用真空栗和真空箱對(duì)將步驟(4)得到的云母漿進(jìn)行抽真空脫水，真空 度為3300PA;將脫除水分后的物料在120°C下烘干120min;再將烘干后的物料用液壓機(jī)和其 內(nèi)的料錠模具壓制成料錠，料錠在150°C下烘干60min后，即得提純后的云母粉晶體;所述的 料錠，規(guī)格Φ 180mm，厚度20mm。
[0021]上述技術(shù)方案中，步驟(2)中，所述的原材料加密，具體操作步驟如下：
[0022]①裝料:將鉑坩堝放入規(guī)格一致的石英坩堝內(nèi)，再將裝有鉑坩堝的石英坩堝放入 高溫爐中，然后將步驟（1)得到的一部分料錠放入鉑坩堝內(nèi)，鉑坩堝內(nèi)放滿料錠，然后關(guān)閉 高溫爐的爐門；
[0023] ②首次升溫加熱：對(duì)高溫爐進(jìn)行升溫，3小時(shí)內(nèi)溫度勻速上升為1400°C，在1400°C 下恒溫加熱2h;
[0024] ③二次升溫加熱:首次升溫加熱結(jié)束后，打開高溫爐的爐門，夾取料錠放置于高溫 爐內(nèi)的鉑坩堝內(nèi)（鉑坩堝內(nèi)放滿料錠且保證鉑坩堝內(nèi)熔融的物料不溢出為止），關(guān)閉高溫爐 的爐門，繼續(xù)在1400°C下恒溫加熱lh;
[0025] ④三次升溫加熱:二次升溫加熱結(jié)束后，打開高溫爐的爐門，夾取料錠放置于高溫 爐內(nèi)的鉑坩堝內(nèi)（鉑坩堝內(nèi)放滿料錠且保證鉑坩堝內(nèi)熔融的物料不溢出為止），關(guān)閉高溫爐 的爐門，繼續(xù)在1400°C下恒溫加熱2h;
[0026] ⑤冷卻成型:三次升溫加熱結(jié)束后，斷開高溫爐的開關(guān)，打開高溫爐的爐門，將其 內(nèi)的石英坩堝取出，并將其內(nèi)鉑坩堝內(nèi)熔融的物料倒入高鋁磚模具中（切記穿戴好防護(hù)服 具、以免灼傷，高鋁磚模具使用前必須清理干凈、避免污染），使其冷卻成型；
[0027] ⑥切割、清洗及烘干:將冷卻成型的物料在帶鋸上切成料塊，將料塊放入超聲波清 洗機(jī)中用純凈水清洗兩遍后，在120°C下烘干60min后即得加密的原材料，所述的超聲波，頻 率為40KHz;
[0028] 上述技術(shù)方案中，步驟(3)所述的晶體生長(zhǎng)，具體操作步驟為：
[0029]①填料：先將無縫鉑坩堝置于模具中，然后向無縫鉑坩堝裝入步驟（2)得到的料 塊，上部的料塊作為晶種使用，晶種占物料總重的1/3;注意避免物料的棱角劃破無縫鉑坩 堝;將無縫鉑坩堝的上部折封嚴(yán)密，防止熔融后的熔料流下;此外，無縫鉑坩堝上部要平整， 不要凹凸，保證生長(zhǎng)的晶體表面平整和有足夠的長(zhǎng)度，并且防止熱應(yīng)力集中；
[0030] ②裝耐火管：為了使無縫鉑坩堝在晶體生長(zhǎng)爐的爐膛內(nèi)升降，并且防止無縫鉑坩 堝在高溫下軟化變形，將步驟①填料后的無縫鉑坩堝倒置裝入一個(gè)耐火管中，在無縫鉑坩 堝兩側(cè)面與耐火管的管壁之間分別加入一塊尺寸為323X140 X4mm的剛玉板，最后用1500 °C焙燒過的氧化鋁粉充填所有間隙（注意，操作時(shí)，切勿劃傷薄鉑坩堝；晶種部位的氧化鋁 要填實(shí)，晶種上部的氧化鋁粉充填的松緊適度）；然后每隔2~3個(gè)無縫鉑坩堝外部側(cè)面裝測(cè) 溫?zé)犭娕?，用以監(jiān)督晶種熔接情況和生長(zhǎng)情況;將每個(gè)無縫鉑坩堝裝入耐火管后，可將這些 耐火管分別送入相應(yīng)的爐膛室內(nèi)，并置于與下降機(jī)構(gòu)連接的臺(tái)面上；
[0031] ③原料熔融:將步驟②的耐火管送入爐膛，裝入耐火管中的無縫鉑