本發(fā)明涉及一種采用高壓相變法制備納米多晶斯石英的方法，特別是利用α-SiO2為原料制備納米多晶斯石英。屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。
技術(shù)背景
二氧化硅是地球中含量非常多的物質(zhì),二氧化硅及其高壓相(柯石英、斯石英、CaCl2結(jié)構(gòu)超斯石英、a-PbO2結(jié)構(gòu)超斯石英等)也備受地球物理、高壓及材料等學(xué)科研究者們的關(guān)注。柯石英是二氧化硅的第一個(gè)高壓相，長期以來，人本把柯石英當(dāng)作認(rèn)識(shí)地球的 “窗口”，地表柯石英的發(fā)現(xiàn)，也被作為解釋板塊折返學(xué)說的有力證據(jù)。斯石英是二氧化硅的另一個(gè)高壓相，在約9 GPa的壓力條件下才能穩(wěn)定存在。
納米多晶斯石英材料，具有良好的力學(xué)性能（高硬度、高韌性、高強(qiáng)度）；斷裂強(qiáng)度是斯石英單晶的數(shù)倍。由于需要極端的超高壓條件，合成這種完全致密的納米多晶塊狀材料具有挑戰(zhàn)性，納米多晶陶瓷材料的制備多以納米粉末為初始材料，納米粉末存在團(tuán)聚、吸附、難以分散的問題制約了燒結(jié)所得多晶材料的力學(xué)性能。如何抑制納米晶粒在高溫?zé)Y(jié)過程中的長大，使其保持納米特性與燒結(jié)體高致密度，也是納米多晶材料制備面臨的技術(shù)難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處而提供一種利用a-SiO2為原料，在高溫超高壓條件下制備高性能納米多晶斯石英材料的方法。本發(fā)明克服了常用的以納米初始粉末材料制備納米多晶時(shí)初始粉末存在的團(tuán)聚、吸附以及難以分散等問題。公開了一種利用高壓相變的方法，通過對(duì)原料預(yù)處理及成型，在高溫超高壓條件下制備高性能納米多晶斯石英的方法，提高了納米多晶斯石英的性能。
本發(fā)明的目的可通過下述技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)：
本發(fā)明的采用高壓相變法制備納米多晶斯石英的方法包括以下步驟：
a、原料的選擇：a-SiO2為原料，晶粒尺寸5nm-500 μm；
b、原料處理：將純度高于80%、晶粒尺寸為5nm -500 μm 的a-SiO2原料用無水乙醇處理，倒出廢液，處理后的原料放入烘箱內(nèi)120℃ 烘干；烘干后的原料加去離子水作為粘結(jié)劑，預(yù)壓成型；把成型樣品放入真空干燥烘箱中真空干燥；
c、燒結(jié)單元裝配：將預(yù)壓成型的原料用金屬包裹體進(jìn)行包裹，防止樣品在高溫高壓下被污染；將帶有金屬包裹體的原料裝入高壓合成裝置中進(jìn)行組裝，將組裝好的燒結(jié)單元放入干燥箱中在120℃恒溫條件下干燥，備用；
d、合成組裝塊的組裝：將預(yù)壓好的帶有金屬包裹體的原料放入絕緣管中，裝入高壓合成裝置的樣品腔，將組裝好的合成組裝塊放入烘箱中備用，120℃ 恒溫干燥；
e、高溫高壓燒結(jié)：利用壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為6-35GPa,壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，加熱升溫，在燒結(jié)溫度為700-2000℃的條件下，保溫時(shí)間為10秒-50分鐘；待保溫結(jié)束后，停止加熱，然后緩慢開始降壓；
f、樣品處理：取出合成腔體內(nèi)的樣品，去除塊體材料外面的包裹體，對(duì)內(nèi)部樣品進(jìn)行打磨、拋光，得到斯石英多晶體；
g、樣品性能檢測(cè)：利用XRD檢測(cè)樣品物相，SEM檢測(cè)樣品微觀形貌和晶粒大小。
本發(fā)明中所述a-SiO2原料的晶型和晶粒尺寸利用XRD、激光粒度檢測(cè)、測(cè)定。
本發(fā)明步驟c中所述金屬包裹體在包裹之前進(jìn)行過打磨和拋光處理，然后進(jìn)行去油、超聲波清洗、紅外烘干。
本發(fā)明步驟d中合成組裝塊以石墨管為加熱器件,氧化鎂和葉蠟石為傳壓介質(zhì)。
本發(fā)明的有益效果如下：
1、本發(fā)明制備的納米多晶斯石英材料，采用純相的 a-SiO2為原料，在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。樣品中不含其它雜質(zhì)，純度高、物相單一。
2、本發(fā)明制備的納米多晶斯石英材料，可以采用微米晶 a-SiO2粉末為原料，在高溫高壓條件下利用相變法制備而得到。這種方法避免了以納米晶粉末為初始材料，存在的團(tuán)聚、吸附、難以分散的問題；避免了因原料問題制約燒結(jié)所得多晶材料的力學(xué)性能。
3、本發(fā)明制備的納米多晶斯石英材料，利用高溫超高壓相變法制備而得到。利用超高壓使原料破碎成均勻的晶粒，超高壓條件可以抑制高溫驅(qū)使的晶粒長大問題。這種方法成功地解決了納米晶粒在高溫?zé)Y(jié)過程中的長大。
4、本發(fā)明制備的納米多晶斯石英材料，能夠保持納米特性與燒結(jié)體高致密度。
5、本發(fā)明制備的納米多晶斯石英材料，具有良好的力學(xué)性能，如高硬度、高韌性等。
6、本發(fā)明利用高溫超高壓相變法制備納米多晶斯石英材料。具有相變速度快，壓力和溫度條件容易控制等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1是加壓裝置的組裝示意圖。
圖中序號(hào)：1是鈦片，2是金屬環(huán)，3是石墨管，4是傳壓介質(zhì)，,5是葉蠟石，6是絕緣管，7是樣品。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明以下將結(jié)合實(shí)施例（附圖）作進(jìn)一步描述：
實(shí)施例1：
a、原料的選擇：a-SiO2為原料，晶粒平均尺寸10μm，純度為99%。
b、原料處理：將純度99%、晶粒平均尺寸10μm的a-SiO2原料用無水乙醇處理，倒出廢液，處理后的原料放入烘箱內(nèi)120℃烘干；烘干后的a-SiO2粉料加適量去離子水作為粘結(jié)劑，以1.8g/cm3的成型密度預(yù)壓成型；把成型樣品放入真空干燥烘箱中真空干燥。
c、原料檢測(cè)：對(duì)原料a-SiO2做XRD、激光粒度檢測(cè)，檢測(cè)晶粒平均尺寸10μm， a-SiO2。
d、燒結(jié)單元裝配：
預(yù)壓成型的原料用金屬包裹體進(jìn)行包裹，防止樣品在高溫高壓下被污染。
包裹之前首先對(duì)金屬包裹體進(jìn)行處理，打磨和拋光包裹的金屬材料，然后進(jìn)行去油、超聲波清洗、紅外烘干，備用。
把預(yù)壓成型的微晶a-SiO2原料放入處理過的金屬杯中，二次預(yù)壓密封，放入干燥箱中備用，120℃恒溫干燥。
合成組裝塊的組裝：將預(yù)壓好的金屬杯包裹的原料放入絕緣管中，裝入高壓合成裝置的樣品腔，合成組裝塊以石墨管為加熱器件,氧化鎂和葉蠟石為傳壓介質(zhì)，將組裝好的合成組裝塊放入烘箱中備用，120℃恒溫干燥。
e、高溫高壓燒結(jié)：利用壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為12 GPa,壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，加熱啟動(dòng)，迅速升溫，保壓的同時(shí)進(jìn)行加溫，燒結(jié)溫度為1300℃，保溫時(shí)間為15分鐘。待保溫結(jié)束后，停止加熱，然后緩慢開始降壓。
f、樣品處理：取出合成腔體內(nèi)的樣品，去除塊體材料外面的包裹體，對(duì)內(nèi)部樣品進(jìn)行打磨、拋光，得到斯石英多晶體。
g、樣品性能檢測(cè)：經(jīng)過XRD衍射圖譜分析，樣品只含有斯石英單一相，SEM檢測(cè)樣品的平均晶粒大小為納米顆粒，且樣品微觀結(jié)構(gòu)比較均勻。硬度和韌性測(cè)試表明樣品具有高硬度和高韌性。
實(shí)施例2：
a、原料的選擇：a-SiO2為原料，晶粒平均尺寸0.5μm，純度為99.5%；
b、原料處理：將純度為99.5%、晶粒平均尺寸0.5μm的a-SiO2原料用無水乙醇處理，倒出廢液，處理后的原料放入烘箱內(nèi)120℃烘干；烘干后的a-SiO2粉料加適量去離子水作為粘結(jié)劑，以1.7g/cm3的成型密度預(yù)壓成型；把成型樣品放入真空干燥烘箱中真空干燥；
c、原料檢測(cè)：對(duì)原料a-SiO2做XRD、激光粒度檢測(cè)，檢測(cè)晶粒平均尺寸0.5 μm， a-SiO2。
本實(shí)施例的步驟d與實(shí)施例1相同，不再重復(fù)。
e、高溫高壓燒結(jié)：利用壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為10 GPa,壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，加熱啟動(dòng)，迅速升溫，保壓的同時(shí)進(jìn)行加溫，燒結(jié)溫度為1100℃，保溫時(shí)間為30分鐘。待保溫結(jié)束后，停止加熱，然后緩慢開始降壓。
本實(shí)施例的步驟f、g與實(shí)施例1相同，不再重復(fù)。