專利名稱：一種低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷及其制備方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁含量高的陶瓷是一種以a-Al203為主體原料，以剛玉為主晶相的陶瓷材 料。它具有機(jī)械強(qiáng)度大、硬度高、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、高的電絕緣性與低的介電損 耗等特點，加上生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟、原料充沛、價格低廉等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最 廣的陶瓷材料，在電子電器、機(jī)械、汽車、化工、紡織、冶金、航空、火電、建材、染 料、涂料等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國氧化鋁含量在85%以上的高鋁瓷 已突破年產(chǎn)量8萬噸。然而，氧化鋁陶瓷具有較強(qiáng)的離子鍵，使其熔點高達(dá)2050°C，在高溫時產(chǎn)生 的液相極少，導(dǎo)致高鋁瓷的燒結(jié)溫度普遍較高。從目前的生產(chǎn)實踐來看，氧化鋁含量 為85%高鋁瓷的燒成溫度一般在1500 1550°C，90高鋁瓷的燒成溫度一般在1550 1600°C, 95高鋁瓷的燒成溫度在1600 1650°C，99高鋁瓷的燒成溫度在1750°C以上。 這就使得高鋁瓷的制造需要耗費大量的能源和高熱值燃料，還需要消耗大量高溫?zé)傻?高級耐火材料和高溫發(fā)熱元件，由此致使高鋁瓷的制備成本升高；同時由于過高的燒成 溫度，將促使陶瓷晶粒急劇生長、殘余氣孔聚集長大，從而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低， 不利于陶瓷性能的改善和提高。因此，降低氧化鋁陶瓷的燒成溫度，是氧化鋁陶瓷行業(yè) 所關(guān)心和急需解決的重要課題。為降低氧化鋁陶瓷的燒成溫度，目前在生產(chǎn)上主要采用添加低溫?zé)Y(jié)助劑的方 法。Kwon(JAmCeramSoc，1990，73: 275-278)、Singh(J Am Ceram Soc, 1981，64: 133-136)和 Akira(JAm Ceram Soc，1996，79: 3199-210)等分別在氧化鋁粉體中添加 Ca0-Mg0_Si02、Mg0-Al203_Si02、Ca0-Al203_Si02 等玻璃粉體，將氧化鋁陶瓷的燒成 溫度降低到了 1400 1450°C。李江等(無機(jī)材料學(xué)報，2003，6 1192-1198)以MgO 和Si02為燒結(jié)助劑，在1450°C燒結(jié)獲得高性能的氧化鋁陶瓷。史國普等(濟(jì)南大學(xué)學(xué) 報，2007，1: 17-19)通過在氧化鋁中添加適量的Ca0-Mg0_Si02*Ti02作為燒結(jié)助 劑，在1500°C燒結(jié)后獲得了相對密度98.71%的高鋁瓷。劉于昌等(硅酸鹽學(xué)報，2006， 6 647-651)通過添加適量的Cu0-Ti02燒結(jié)助劑，將氧化鋁陶瓷的燒成溫度降低到了 1300°C 以下。但在上述添加低溫?zé)Y(jié)助劑來降低高鋁瓷燒成溫度的過程中，大量低溫?zé)Y(jié)助 劑的引入，將對高鋁瓷的各項性能產(chǎn)生負(fù)面影響；特別是在氧化鋁粉體中添加粗大顆粒 的玻璃粉體以及微米級的氧化物助劑，在燒結(jié)后將殘留大量的第二相分布于氧化鋁晶粒 邊界，惡化陶瓷的力學(xué)性能與功能特性。因此，盡可能在減少低溫?zé)Y(jié)助劑添加量的基 礎(chǔ)上，最大程度地降低氧化鋁陶瓷的燒成溫度，不僅有利于節(jié)省燒結(jié)助劑所占用的原材 料成本，還將有利于提高氧化鋁陶瓷的各項性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在少量助劑添加時，能夠?qū)崿F(xiàn)在較低溫度下燒結(jié)的高 鋁瓷及其制備方法。本發(fā)明提出的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷，其原材料的重量份數(shù)組成為氧化鋁粉體 85 99份鈦酸四丁酯 0.97 8份硼酸0.01 1份
錳的化合物 0.01 5份銅的化合物 0.01 1份上述的錳的化合物為硝酸錳、醋酸錳和氯化錳中的至少一種。所述的銅的化合 物為硝酸銅、醋酸銅和氯化銅中的至少一種。本發(fā)明提出的制備低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷的方法，包括下述步驟(1)將鈦酸四丁酯溶解于乙酸中，形成0.5 2.0mol/l的鈦酸四丁酯的乙酸溶 液；(2)將硼酸、錳的化合物和銅的化合物溶解于乙醇中，形成溶質(zhì)濃度為0.5 2.0mol/l的混合溶液，然后將溶液的pH值調(diào)至4.5 6.0 ；(3)將上述(1)的溶液倒入(2)的溶液中，混合攪拌均勻，然后將氧化鋁粉體加 入，放入球磨罐中進(jìn)行球磨；(4)將上述球磨后的混合物置于80°C 100°C進(jìn)行干燥，然后在800°C 1100°C 進(jìn)行煅燒，得到高鋁陶瓷粉體；(5)向上述高鋁陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合后進(jìn)行造粒、 成型、排膠，然后在120(TC 150(TC進(jìn)行燒結(jié)，獲得高鋁瓷。本發(fā)明具有以下有益效果通過鈦酸四丁酯的水解-聚合作用，使硼酸、錳 的化合物、銅的化合物以分子級水平均勻混合后包覆在氧化鋁粉體顆粒的表面，從而實 現(xiàn)燒結(jié)助劑在高鋁瓷中的均勻分布；在8oo°c iioo°c進(jìn)行煅燒后，將獲得納米級的 Ti02、B203、MnO2> CuO粉體顆粒，在陶瓷成型過程中可以填補(bǔ)氧化鋁粉體顆粒的間 隙，促進(jìn)陶瓷素坯密度的提高；在陶瓷燒成過程中，納米TiO2與MnOdf利用其高活性 固溶入氧化鋁晶格中形成空位并促使陶瓷擴(kuò)散系數(shù)的提高，納米B2O3與CuO將利用其高 比表面能包覆在氧化鋁粉體表面形成液相，從而利用納米顆粒的固相燒結(jié)與液相燒結(jié)的 協(xié)同作用，在少量燒結(jié)助劑的添加下，最大程度地降低高鋁瓷的燒成溫度。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實施例1 稱取8份鈦酸四丁酯溶解于乙酸，形成l.Omol/Ι的鈦酸四丁酯的乙酸溶液；稱取 0.01份硼酸、0.01份硝酸錳和1份硝酸銅溶解于乙醇中，形成溶質(zhì)濃度為l.Omol/Ι的混合 溶液，并添加0.03份濃度為5%的硝酸將溶液的pH值調(diào)至4.5，然后倒入上述鈦酸四丁酯 的乙酸溶液。將上述兩溶液混合攪拌均勻后，加入91份氧化鋁粉體，放入球磨罐中進(jìn)行 球磨；將上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在900°C進(jìn)行煅燒，得到高鋁陶瓷粉體。向上述高鋁陶瓷粉體中添加8份聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，充分混 合后進(jìn)行造粒，然后在120Mpa的壓力下成型，排膠后在1250°C進(jìn)行燒結(jié)，即獲得本發(fā)明 的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷。采用排水法測試上述高鋁瓷的體積密度，結(jié)果表明其密度達(dá)到了氧 化鋁陶瓷理論密度的98.6%。實施例2 稱取0.97份鈦酸四丁酯溶解于乙酸，形成2.0mol/l的鈦酸四丁酯的乙酸溶液； 稱取1份硼酸、5份醋酸錳和0.01份醋酸銅溶解于乙醇中，形成溶質(zhì)濃度為1.5mol/l的混 合溶液，并添加0.04份濃度為5%的硝酸將溶液的pH值調(diào)至5.0，然后倒入上述鈦酸四丁 酯的乙酸溶液。將上述兩溶液混合攪拌均勻后，加入93份氧化鋁粉體，放入球磨罐中進(jìn) 行球磨；將上述球磨后的混合物置于95°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在950°C進(jìn)行煅燒， 得到高鋁陶瓷粉體。向上述高鋁陶瓷粉體中添加9份聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，充分 混合后進(jìn)行造粒，然后在120Mpa的壓力下成型，排膠后在1400°C進(jìn)行燒結(jié)，即獲得本發(fā) 明的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷。采用排水法測試上述高鋁瓷的體積密度，結(jié)果表明其密度達(dá)到了 氧化鋁陶瓷理論密度的97.8%。實施例3 稱取6份鈦酸四丁酯溶解于乙酸，形成1.5mol/l的鈦酸四丁酯的乙酸溶液；稱取 0.5份硼酸、0.5份氯化錳、0.5份氯化銅溶解于乙醇中，形成溶質(zhì)濃度為1.2mol/l的混合 溶液，并添加0.01份濃度為5%的硝酸將溶液的pH值調(diào)至5.5，然后將鈦酸四丁酯的乙酸 溶液倒入。將上述兩溶液混合攪拌均勻后，加入92.5份氧化鋁粉體，放入球磨罐中進(jìn)行 球磨；將上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中進(jìn)行干燥，然后在920°C進(jìn)行煅燒，得 到高鋁陶瓷粉體。向上述高鋁陶瓷粉體中添加9份聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，充分混 合后進(jìn)行造粒，然后在120Mpa的壓力下成型，排膠后在1350°C進(jìn)行燒結(jié)，即獲得本發(fā)明 的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷。采用排水法測試上述高鋁瓷的體積密度，結(jié)果表明其密度達(dá)到了氧 化鋁陶瓷理論密度的98.3%。實施例4 稱取8份鈦酸四丁酯溶解于乙酸，形成l.Omol/1的鈦酸四丁酯的乙酸溶液；稱取 0.01份硼酸、0.01份硝酸錳、0.01份氯化錳、1份硝酸銅和0.1份氯化銅溶解于乙醇中， 形成溶質(zhì)濃度為l.Omol/1的混合溶液，并添加0.03份濃度為5%的硝酸將溶液的pH值調(diào) 至4.5，然后倒入上述鈦酸四丁酯的乙酸溶液。將上述兩溶液混合攪拌均勻后，加入91 份氧化鋁粉體，放入球磨罐中進(jìn)行球磨；將上述球磨后的混合物置于90°C的烘箱中進(jìn)行 干燥，然后在950°C進(jìn)行煅燒，得到高鋁陶瓷粉體。向上述高鋁陶瓷粉體中添加8份聚乙 烯醇水溶液作為粘合劑，充分混合后進(jìn)行造粒，然后在120Mpa的壓力下成型，排膠后在 1260°C進(jìn)行燒結(jié)，即獲得本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷。采用排水法測試上述高鋁瓷的體積 密度，結(jié)果表明其密度達(dá)到了氧化鋁陶瓷理論密度的98.8%。
權(quán)利要求
1.一種低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷，其特征在于原材料的重量份數(shù)組成為 氧化鋁粉體 85 99份鈦酸四丁酯 0.97 8份 硼酸0.01 1份錳的化合物 0.01 5份 銅的化合物 0.01 1份上述的錳的化合物為硝酸錳、醋酸錳和氯化錳中的至少一種。所述的銅的化合物為 硝酸銅、醋酸銅和氯化銅中的至少一種。
2.制備權(quán)利要求1所述的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷的制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)將鈦酸四丁酯溶解于乙酸中，形成0.5 2.0mol/l的鈦酸四丁酯的乙酸溶液；(2)將硼酸、錳的化合物和銅的化合物溶解于乙醇中，形成溶質(zhì)濃度為0.5 2.0mol/ 1的混合溶液，然后將溶液的pH值調(diào)至4.5 6.0 ；(3)將上述(1)的溶液倒入(2)的溶液中，混合攪拌均勻，然后將氧化鋁粉體加入， 放入球磨罐中進(jìn)行球磨；(4)將上述球磨后的混合物置于80°C 100°C進(jìn)行干燥，然后在800°C 1100°C進(jìn)行 煅燒，得到高鋁陶瓷粉體；(5)向上述高鋁陶瓷粉體中添加聚乙烯醇水溶液作為粘合劑，混合后進(jìn)行造粒、成 型、排膠，然后在120(TC 150(TC進(jìn)行燒結(jié)，獲得高鋁瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開的低溫?zé)Y(jié)高鋁瓷，其原材料的重量份數(shù)組成為氧化鋁粉體85～99份，鈦酸四丁酯0.97～8份，硼酸0.01～1份，錳的化合物0.01～5份，銅的化合物0.01～1份。制備過程如下將鈦酸四丁酯溶解于乙酸中，將硼酸、錳的化合物和銅的化合物溶解于乙醇中，然后將合并上述溶液，混合攪拌均勻，加入氧化鋁粉體進(jìn)行球磨；將球磨后的混合物干燥后再煅燒，得到高鋁陶瓷粉體；向高鋁陶瓷粉體中添加粘合劑，進(jìn)行造粒、成型、排膠，燒結(jié)，即可。本發(fā)明的原材料豐富、制備工藝簡單，具有良好的工業(yè)應(yīng)用價值。
文檔編號C04B35/64GK102010186SQ20101029893
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者夾國華, 徐時清, 王煥平, 陳金敏, 黃立輝 申請人:中國計量學(xué)院