專利名稱：一種原位合成莫來石晶須增韌剛玉-莫來石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原位合成莫來石晶須增韌剛玉-莫來石耐火材料的方法，該耐火 材料主要應(yīng)用于微波冶金高溫反應(yīng)裝置，本發(fā)明屬于冶金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與公知冶金方法相比，微波冶金具有選擇性加熱物料、升溫速率快、加熱效率高、 對(duì)化學(xué)反應(yīng)具有催化作用、易于自動(dòng)控制等顯著優(yōu)勢(shì)，因此微波冶金有望成為冶金工業(yè)清 潔生產(chǎn)的有效途徑之一。作為微波冶金反應(yīng)裝置的核心部件，微波冶金用耐火材料除應(yīng)具 備普通耐火材料具有的基本物理化學(xué)性能外，還應(yīng)滿足如下特定要求①耐熱溫度高，在高 于100(TC的溫度下能夠經(jīng)受各種結(jié)構(gòu)應(yīng)力、物理、化學(xué)和機(jī)械作用等；②微波透過性強(qiáng)、吸 收率低，即耐火材料應(yīng)具有較小的介電常數(shù)和低的介電損耗；③良好的抗熱震性和抵抗熱 沖擊能力，能夠經(jīng)受反復(fù)的急速升、降溫過程而不出現(xiàn)開裂破壞。上述復(fù)雜苛刻的要求使得一般單一組分的耐火材料很難滿足微波冶金過程的使 用要求，因而通常需要將具有不同優(yōu)點(diǎn)的耐火材料進(jìn)行復(fù)合進(jìn)而開發(fā)出性能優(yōu)異的復(fù)合組 分耐火材料。目前最有希望作為微波冶金高溫反應(yīng)裝置使用的耐火材料體系為剛玉-莫來 石基耐火材料，它同時(shí)兼具剛玉和莫來石二者的優(yōu)異性能，是一種耐高溫、耐侵蝕、耐沖刷、 機(jī)械強(qiáng)度高、透波性能較好的優(yōu)質(zhì)耐火材料。但該耐火材料存在的最大問題就是在微波冶 金過程中嚴(yán)重?zé)釠_擊作用下容易出現(xiàn)開裂破壞、抗熱震性差、使用壽命短。因此，采用適當(dāng) 的增韌措施提高耐火材料的韌性、抗熱震性和抵御熱沖擊的能力成為目前解決微波冶金用 耐火材料使用的關(guān)鍵問題。理論上講，公知的陶瓷韌化機(jī)制，如相變韌化、顆粒韌化、顯微組織結(jié)構(gòu)韌化、外加 纖維或晶須韌化等，均可用于對(duì)剛玉-莫來石進(jìn)行韌化處理。但考慮到微波冶金用耐火材 料使用環(huán)境的特殊性，在韌化機(jī)制的選擇上還應(yīng)考慮到增韌機(jī)制對(duì)耐火材料透波性能的影 響，因而對(duì)增韌方式的選擇產(chǎn)生了很大限制。例如①對(duì)于相變韌化，由于加入的部分穩(wěn)定 &02在高溫時(shí)是一種吸波物質(zhì)，它的加入必然提高耐火材料的介電常數(shù)和介電損耗，導(dǎo)致 透波能力的下降；②對(duì)于顯微組織結(jié)構(gòu)韌化，由于晶粒、氣孔和微裂紋的大小、形態(tài)、分布在 長時(shí)間高溫使用后會(huì)產(chǎn)生變化，因而增韌效果會(huì)隨使用時(shí)間延長出現(xiàn)劣化；③對(duì)于顆粒韌 化，常用的增韌顆粒如氧化鋯、碳化硅等在高溫下均為吸波材料，因而限制了該增韌機(jī)制的 應(yīng)用；④而在外加纖維(或晶須)韌化過程中，陶瓷材料過高的燒結(jié)溫度勢(shì)必會(huì)對(duì)纖維(或 晶須)產(chǎn)生劣化效應(yīng)，并使纖維/基體之間產(chǎn)生界面反應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)的界面結(jié)合，致使纖維的拔 出、裂紋的橋連等增韌機(jī)制失效。采用超細(xì)粉體可以降低耐火材料的燒結(jié)溫度，通過在纖維 表面制備涂層可以避免纖維/基體之間界面反應(yīng)的發(fā)生，但上述措施的直接后果是使產(chǎn)品 的成本大幅度提高，并使耐火材料的制備工藝進(jìn)一步復(fù)雜化。在莫來石晶須原位增韌陶瓷材料方面，目前的文獻(xiàn)和專利技術(shù)中還僅局限于對(duì)氧 化鋁、Y-TZP以及SiC等材料體系進(jìn)行增韌，對(duì)其他材料體系，特別是微波冶金這一特殊環(huán) 境下具體的晶須合成工藝途徑、生長過程、增韌效果及機(jī)制的研究還非常有限。本發(fā)明通過將原位合成莫來石晶須增韌耐火材料機(jī)制引入微波冶金用耐火材料領(lǐng)域，采用低成本的工 業(yè)級(jí)原料原位合成莫來石晶須并對(duì)耐火材料進(jìn)行增韌處理，不僅制備工藝簡單、成本低，且 預(yù)期增韌效果顯著。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)成本高、工藝復(fù)雜等問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是以工業(yè) 級(jí)Al (OH) 3和S^2為主要原料，添加一定量的添加劑AlF3和V2O5，原位合成出莫來石晶須并 實(shí)現(xiàn)對(duì)微波冶金用剛玉-莫來石耐火材料的原位增韌。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)1.本發(fā)明所用原材料組成及質(zhì)量百分比如下本發(fā)明以工業(yè)級(jí)氫氧化鋁和二氧化硅作為原料，采用氟化鋁和五氧化二礬作為催 化劑，其中工業(yè)級(jí)氫氧化鋁的質(zhì)量百分含量為75. 5-85. 5%，工業(yè)級(jí)二氧化硅的質(zhì)量百分含 量為14. 5-24. 5 %，氟化鋁的加入量為原料重量的3-5%，五氧化二礬的加入量為原料重量 的 3-8%。2.工藝過程如下 將上述原料及催化劑以乙醇為球磨介質(zhì)，進(jìn)行濕法球磨，獲得混合均勻的粉末，粉 末的粒度為75-100 μ m，將此粉末加入原料重量的3-5%聚乙烯醇(PVA)作為粘結(jié)劑，混合 均勻并陳化；之后進(jìn)行壓片，壓片壓力為15_30MPa，壓成36X4X3mm的片；將上述壓好的樣 品以3°C -5°C /min的升溫速率從室溫升到900°C -1000°C，保溫l_2h后；再以5°C -10°C / min的升溫速率升到1350°C _1450°C并保溫2- ；之后隨爐冷卻，即得到所需剛玉-莫來石 耐火材料。本發(fā)明通過在陶瓷燒結(jié)過程中原位生成棒狀的晶須材料從而使陶瓷得到韌化，即 所謂原位增韌機(jī)制，是一種理想的增韌方式。本發(fā)明選擇原位合成莫來石晶須作為增韌微 波冶金用剛玉-莫來石耐火材料的增韌相，由于它與基體具有相同的組分，因此在熱膨脹 系數(shù)和化學(xué)相容性方面存在良好的匹配；另外，莫來石晶須的透波性能較好，不會(huì)對(duì)耐火材 料的透波性能產(chǎn)生不利影響。以上述工藝實(shí)現(xiàn)原位合成莫來石晶須并對(duì)微波冶金用剛玉-莫來石耐火材料進(jìn) 行增韌的優(yōu)勢(shì)在于①無需昂貴的晶須的加入及其復(fù)雜的分散過程，制備過程簡單、成本降 低；②通過原位合成莫來石晶須的方式實(shí)現(xiàn)耐火材料的增韌，晶須分散均勻、長徑比高、增 韌效果好。


圖1是實(shí)施例1工藝合成的耐火材料及晶須形貌圖；圖2是實(shí)施例1添加3%的 AIF3和V2O5為催化劑與未添加催化劑試樣的抗彎程度的對(duì)比圖；圖3是實(shí)施例2工藝合成 的耐火材料及晶須形貌圖；圖4是實(shí)施例2添加3%的AIF3和V2O5為催化劑與未添加催化 劑試樣的抗彎程度的對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
以質(zhì)量百分含量為75. 5%的工業(yè)氫氧化鋁和質(zhì)量百分含量為24. 5%二氧化硅為 主要原料，外加原料重量的3%的氟化鋁和原料重量的3%的五氧化二釩作為催化劑，采 用行星式球磨機(jī)進(jìn)行濕法球磨，獲得混合均勻的粉末，粒度75-100 μ m ；再將此粉末加入原 料重量3%的PVA作為粘結(jié)劑，之后混合均勻并陳化；將上述粉末采用粉末壓片機(jī)壓制成 36X4X3mm的片，成型壓力為15MPa ；之后將上述壓片所得試樣以3°C /min的升溫速率從 室溫升到900°C，保溫濁后，再以5°C /min的升溫速率升到1350°C并保溫汕，之后隨爐冷 卻，即得到所要產(chǎn)品。掃描電子顯微鏡分析結(jié)果表明，以上述工藝原位合成的莫來石晶須在 耐火材料基體內(nèi)的分散良好，晶須長度在30 μ m-40 μ m之間，直徑約為5 μ m左右，原位合成 晶須的形貌如圖1所示。上述試樣(即加入質(zhì)量百分含量為3%的氟化鋁和質(zhì)量百分含量為3%的五氧化 二釩作為催化劑的試樣)和未加入催化劑的試樣其抗彎強(qiáng)度對(duì)比如圖2所示。相對(duì)于未添 加催化劑的試樣，添加上述催化劑之后，耐火材料的抗彎強(qiáng)度提高了 200%，斷裂延伸率提 高了 60%。將添加上述含量催化劑和未添加催化劑的耐火材料試樣加熱至1000°C保溫2 小時(shí)后急速水冷，經(jīng)上述10個(gè)熱震循環(huán)后，添加催化劑后的耐火材料試樣的抗彎強(qiáng)度損失 率相對(duì)未添加催化劑的試樣減小了 50%。實(shí)施例2:以質(zhì)量百分含量為80. 5%的工業(yè)氫氧化鋁和質(zhì)量百分含量為19. 5%二氧化硅 為主要原料，外加原料重量的5%的氟化鋁和原料重量的8%的五氧化二釩作為催化劑， 采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行濕法球磨，獲得混合均勻的粉末；再將此粉末加入原料重量5%的 PVA作為粘結(jié)劑，之后混合均勻并陳化；將上述粉末采用粉末壓片機(jī)壓制成型，成型壓力為 25MPa ；之后將上述壓片所得試樣以5°C /min的升溫速率從室溫升到1000°C，保溫1后，再 以8°C /min的升溫速率升到1450°C并保溫2h，之后隨爐冷卻，即得到所要產(chǎn)品。掃描電子 顯微鏡分析結(jié)果表明，以上述工藝原位合成的莫來石晶須在耐火材料基體內(nèi)的分散良好， 晶須長度在30 μ m-40 μ m之間，直徑約為4 μ m左右，原位合成晶須的形貌如圖3所示。上述試樣(即加入質(zhì)量百分含量為5%的氟化鋁和質(zhì)量百分含量為8%的五氧化 二釩作為催化劑的試樣)和未加入催化劑的試樣其抗彎強(qiáng)度對(duì)比如圖4所示。相對(duì)于未添 加催化劑的試樣，添加上述催化劑之后，耐火材料的抗彎強(qiáng)度提高了 500%，斷裂延伸率提 高了 70%。將添加上述含量催化劑和未添加催化劑的耐火材料試樣加熱至1000°C保溫2 小時(shí)后急速水冷，經(jīng)上述10個(gè)熱震循環(huán)后，添加催化劑后的耐火材料試樣的抗彎強(qiáng)度損失 率相對(duì)未添加催化劑的試樣減小了 60%。
權(quán)利要求
1.一種原位合成莫來石晶須增韌剛玉-莫來石的方法，其特征在于按以下步驟實(shí)施，(1)以工業(yè)級(jí)氫氧化鋁和二氧化硅作為原料，采用氟化鋁和五氧化二礬作為催化劑，其 中工業(yè)級(jí)氫氧化鋁的質(zhì)量百分含量為75. 5% -85. 5%，工業(yè)級(jí)二氧化硅的質(zhì)量百分含量為 14. 5% -24. 5%，氟化鋁的加入量為原料重量的3% _5%，五氧化二礬的加入量為原料重量 的 3% -8% ；(2)將上述原料及催化劑以乙醇為球磨介質(zhì)，進(jìn)行濕法球磨，獲得混合均勻的粉末， 將此粉末加入原料重量3% -5%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，混合均勻并陳化；之后進(jìn)行壓 片，壓片壓力為15-30MPa ；將上述壓好的樣品以；TC -5°C /min的升溫速率從室溫升到 9000C -1000°C，保溫l_2h后；之后再以5°C -10°C /min的升溫速率升到1350°C -1450°C并 保溫2- ；之后隨爐冷卻，即得到所需剛玉-莫來石耐火材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟O)中球墨所得粉末的粒度為 75-100 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中壓片時(shí)，壓成36X4X3mm的片。
全文摘要
本發(fā)明提供一種原位合成莫來石晶須增韌剛玉-莫來石的方法，以工業(yè)級(jí)氫氧化鋁和二氧化硅為原料，氟化鋁和五氧化二礬為催化劑，將原料及催化劑按比例配合，以乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨，再加入聚乙烯醇，混合陳化；進(jìn)行壓片；并以3℃-5℃/min的升溫速率從室溫升到900℃-1000℃，保溫1-2h后；再以5℃-10℃/min的升溫速率升到1350℃-1450℃并保溫2-3h；冷卻即得到所需剛玉-莫來石耐火材料。本方法通過原位合成莫來石晶須的方式實(shí)現(xiàn)耐火材料的增韌，晶須分散均勻、長徑比高、增韌效果好。
文檔編號(hào)C04B35/66GK102086125SQ20101055326
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者劉永鶴, 孟彬, 彭金輝 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)