专利名称：一种原位合成莫来石晶须增韧刚玉-莫来石的方法
技术领域：
本发明涉及一种原位合成莫来石晶须增韧刚玉-莫来石耐火材料的方法，该耐火 材料主要应用于微波冶金高温反应装置，本发明属于冶金材料制备技术领域。
背景技术：
与公知冶金方法相比，微波冶金具有选择性加热物料、升温速率快、加热效率高、 对化学反应具有催化作用、易于自动控制等显著优势，因此微波冶金有望成为冶金工业清 洁生产的有效途径之一。作为微波冶金反应装置的核心部件，微波冶金用耐火材料除应具 备普通耐火材料具有的基本物理化学性能外，还应满足如下特定要求①耐热温度高，在高 于100(TC的温度下能够经受各种结构应力、物理、化学和机械作用等；②微波透过性强、吸 收率低，即耐火材料应具有较小的介电常数和低的介电损耗；③良好的抗热震性和抵抗热 冲击能力，能够经受反复的急速升、降温过程而不出现开裂破坏。上述复杂苛刻的要求使得一般单一组分的耐火材料很难满足微波冶金过程的使 用要求，因而通常需要将具有不同优点的耐火材料进行复合进而开发出性能优异的复合组 分耐火材料。目前最有希望作为微波冶金高温反应装置使用的耐火材料体系为刚玉-莫来 石基耐火材料，它同时兼具刚玉和莫来石二者的优异性能，是一种耐高温、耐侵蚀、耐冲刷、 机械强度高、透波性能较好的优质耐火材料。但该耐火材料存在的最大问题就是在微波冶 金过程中严重热冲击作用下容易出现开裂破坏、抗热震性差、使用寿命短。因此，采用适当 的增韧措施提高耐火材料的韧性、抗热震性和抵御热冲击的能力成为目前解决微波冶金用 耐火材料使用的关键问题。理论上讲，公知的陶瓷韧化机制，如相变韧化、颗粒韧化、显微组织结构韧化、外加 纤维或晶须韧化等，均可用于对刚玉-莫来石进行韧化处理。但考虑到微波冶金用耐火材 料使用环境的特殊性，在韧化机制的选择上还应考虑到增韧机制对耐火材料透波性能的影 响，因而对增韧方式的选择产生了很大限制。例如①对于相变韧化，由于加入的部分稳定 &02在高温时是一种吸波物质，它的加入必然提高耐火材料的介电常数和介电损耗，导致 透波能力的下降；②对于显微组织结构韧化，由于晶粒、气孔和微裂纹的大小、形态、分布在 长时间高温使用后会产生变化，因而增韧效果会随使用时间延长出现劣化；③对于颗粒韧 化，常用的增韧颗粒如氧化锆、碳化硅等在高温下均为吸波材料，因而限制了该增韧机制的 应用；④而在外加纤维(或晶须)韧化过程中，陶瓷材料过高的烧结温度势必会对纤维(或 晶须)产生劣化效应，并使纤维/基体之间产生界面反应导致强的界面结合，致使纤维的拔 出、裂纹的桥连等增韧机制失效。采用超细粉体可以降低耐火材料的烧结温度，通过在纤维 表面制备涂层可以避免纤维/基体之间界面反应的发生，但上述措施的直接后果是使产品 的成本大幅度提高，并使耐火材料的制备工艺进一步复杂化。在莫来石晶须原位增韧陶瓷材料方面，目前的文献和专利技术中还仅局限于对氧 化铝、Y-TZP以及SiC等材料体系进行增韧，对其他材料体系，特别是微波冶金这一特殊环 境下具体的晶须合成工艺途径、生长过程、增韧效果及机制的研究还非常有限。本发明通过将原位合成莫来石晶须增韧耐火材料机制引入微波冶金用耐火材料领域，采用低成本的工 业级原料原位合成莫来石晶须并对耐火材料进行增韧处理，不仅制备工艺简单、成本低，且 预期增韧效果显著。
发明内容
为解决现有技术成本高、工艺复杂等问题，本发明所要解决的技术问题是以工业 级Al (OH) 3和S^2为主要原料，添加一定量的添加剂AlF3和V2O5，原位合成出莫来石晶须并 实现对微波冶金用刚玉-莫来石耐火材料的原位增韧。为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现1.本发明所用原材料组成及质量百分比如下本发明以工业级氢氧化铝和二氧化硅作为原料，采用氟化铝和五氧化二矾作为催 化剂，其中工业级氢氧化铝的质量百分含量为75. 5-85. 5%，工业级二氧化硅的质量百分含 量为14. 5-24. 5 %，氟化铝的加入量为原料重量的3-5%，五氧化二矾的加入量为原料重量 的 3-8%。2.工艺过程如下 将上述原料及催化剂以乙醇为球磨介质，进行湿法球磨，获得混合均勻的粉末，粉 末的粒度为75-100 μ m，将此粉末加入原料重量的3-5%聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，混合 均勻并陈化；之后进行压片，压片压力为15_30MPa，压成36X4X3mm的片；将上述压好的样 品以3°C -5°C /min的升温速率从室温升到900°C -1000°C，保温l_2h后；再以5°C -10°C / min的升温速率升到1350°C _1450°C并保温2- ；之后随炉冷却，即得到所需刚玉-莫来石 耐火材料。本发明通过在陶瓷烧结过程中原位生成棒状的晶须材料从而使陶瓷得到韧化，即 所谓原位增韧机制，是一种理想的增韧方式。本发明选择原位合成莫来石晶须作为增韧微 波冶金用刚玉-莫来石耐火材料的增韧相，由于它与基体具有相同的组分，因此在热膨胀 系数和化学相容性方面存在良好的匹配；另外，莫来石晶须的透波性能较好，不会对耐火材 料的透波性能产生不利影响。以上述工艺实现原位合成莫来石晶须并对微波冶金用刚玉-莫来石耐火材料进 行增韧的优势在于①无需昂贵的晶须的加入及其复杂的分散过程，制备过程简单、成本降 低；②通过原位合成莫来石晶须的方式实现耐火材料的增韧，晶须分散均勻、长径比高、增 韧效果好。
图1是实施例1工艺合成的耐火材料及晶须形貌图；图2是实施例1添加3%的 AIF3和V2O5为催化剂与未添加催化剂试样的抗弯程度的对比图；图3是实施例2工艺合成 的耐火材料及晶须形貌图；图4是实施例2添加3%的AIF3和V2O5为催化剂与未添加催化 剂试样的抗弯程度的对比图。
具体实施例方式实施例1
以质量百分含量为75. 5%的工业氢氧化铝和质量百分含量为24. 5%二氧化硅为 主要原料，外加原料重量的3%的氟化铝和原料重量的3%的五氧化二钒作为催化剂，采 用行星式球磨机进行湿法球磨，获得混合均勻的粉末，粒度75-100 μ m ；再将此粉末加入原 料重量3%的PVA作为粘结剂，之后混合均勻并陈化；将上述粉末采用粉末压片机压制成 36X4X3mm的片，成型压力为15MPa ；之后将上述压片所得试样以3°C /min的升温速率从 室温升到900°C，保温浊后，再以5°C /min的升温速率升到1350°C并保温汕，之后随炉冷 却，即得到所要产品。扫描电子显微镜分析结果表明，以上述工艺原位合成的莫来石晶须在 耐火材料基体内的分散良好，晶须长度在30 μ m-40 μ m之间，直径约为5 μ m左右，原位合成 晶须的形貌如图1所示。上述试样(即加入质量百分含量为3%的氟化铝和质量百分含量为3%的五氧化 二钒作为催化剂的试样)和未加入催化剂的试样其抗弯强度对比如图2所示。相对于未添 加催化剂的试样，添加上述催化剂之后，耐火材料的抗弯强度提高了 200%，断裂延伸率提 高了 60%。将添加上述含量催化剂和未添加催化剂的耐火材料试样加热至1000°C保温2 小时后急速水冷，经上述10个热震循环后，添加催化剂后的耐火材料试样的抗弯强度损失 率相对未添加催化剂的试样减小了 50%。实施例2:以质量百分含量为80. 5%的工业氢氧化铝和质量百分含量为19. 5%二氧化硅 为主要原料，外加原料重量的5%的氟化铝和原料重量的8%的五氧化二钒作为催化剂， 采用行星式球磨机进行湿法球磨，获得混合均勻的粉末；再将此粉末加入原料重量5%的 PVA作为粘结剂，之后混合均勻并陈化；将上述粉末采用粉末压片机压制成型，成型压力为 25MPa ；之后将上述压片所得试样以5°C /min的升温速率从室温升到1000°C，保温1后，再 以8°C /min的升温速率升到1450°C并保温2h，之后随炉冷却，即得到所要产品。扫描电子 显微镜分析结果表明，以上述工艺原位合成的莫来石晶须在耐火材料基体内的分散良好， 晶须长度在30 μ m-40 μ m之间，直径约为4 μ m左右，原位合成晶须的形貌如图3所示。上述试样(即加入质量百分含量为5%的氟化铝和质量百分含量为8%的五氧化 二钒作为催化剂的试样)和未加入催化剂的试样其抗弯强度对比如图4所示。相对于未添 加催化剂的试样，添加上述催化剂之后，耐火材料的抗弯强度提高了 500%，断裂延伸率提 高了 70%。将添加上述含量催化剂和未添加催化剂的耐火材料试样加热至1000°C保温2 小时后急速水冷，经上述10个热震循环后，添加催化剂后的耐火材料试样的抗弯强度损失 率相对未添加催化剂的试样减小了 60%。
权利要求
1.一种原位合成莫来石晶须增韧刚玉-莫来石的方法，其特征在于按以下步骤实施，(1)以工业级氢氧化铝和二氧化硅作为原料，采用氟化铝和五氧化二矾作为催化剂，其 中工业级氢氧化铝的质量百分含量为75. 5% -85. 5%，工业级二氧化硅的质量百分含量为 14. 5% -24. 5%，氟化铝的加入量为原料重量的3% _5%，五氧化二矾的加入量为原料重量 的 3% -8% ；(2)将上述原料及催化剂以乙醇为球磨介质，进行湿法球磨，获得混合均勻的粉末， 将此粉末加入原料重量3% -5%的聚乙烯醇作为粘结剂，混合均勻并陈化；之后进行压 片，压片压力为15-30MPa ；将上述压好的样品以；TC -5°C /min的升温速率从室温升到 9000C -1000°C，保温l_2h后；之后再以5°C -10°C /min的升温速率升到1350°C -1450°C并 保温2- ；之后随炉冷却，即得到所需刚玉-莫来石耐火材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤O)中球墨所得粉末的粒度为 75-100 μ m。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中压片时，压成36X4X3mm的片。
全文摘要
本发明提供一种原位合成莫来石晶须增韧刚玉-莫来石的方法，以工业级氢氧化铝和二氧化硅为原料，氟化铝和五氧化二矾为催化剂，将原料及催化剂按比例配合，以乙醇为介质进行球磨，再加入聚乙烯醇，混合陈化；进行压片；并以3℃-5℃/min的升温速率从室温升到900℃-1000℃，保温1-2h后；再以5℃-10℃/min的升温速率升到1350℃-1450℃并保温2-3h；冷却即得到所需刚玉-莫来石耐火材料。本方法通过原位合成莫来石晶须的方式实现耐火材料的增韧，晶须分散均匀、长径比高、增韧效果好。
文档编号C04B35/66GK102086125SQ20101055326
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者刘永鹤, 孟彬, 彭金辉 申请人:昆明理工大学