专利名称：含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法
技术领域：
本发明属于高温结构陶瓷领域，具体涉及含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法。
背景技术：
熔融石英陶瓷又称为石英玻璃陶瓷、石英玻璃烧结制品。熔融石英陶瓷在1300°C 高温使用条件下，因构成熔融石英陶瓷的微细熔融石英为玻璃态，且微细熔融石英颗粒表面能量状态高，熔融石英颗粒更易晶化为方石英，则熔融石英陶瓷的物相由熔融石英大部转化为α-方石英，熔融石英的低热膨胀特性基本消失。在温度急变的使用过程中，因 α-方石英晶型转变伴随的体积变化使得熔融石英陶瓷材料的热膨胀率增大、强度降低，导致材料开裂，材料使用安全性可靠性大大将低。因此，减小熔融石英陶瓷材料高温使用时的晶化作用，寻求抑制熔融石英颗粒晶化的技术途径，提高其使用的安全性及可靠性，成为熔融石英陶瓷材料需要解决的研究与应用课题。国外学者对熔融石英的光学性能和电学性能以及核性能等方面的进行了研究，而对熔融石英材料晶化抑制的研究甚少。国内部分研究者曾使用过常规粉体(粒径大于5微米)的A1203、B2O3> Na2O, H3BO3> Si3N4, P2O5> Y2O3> La2O3作为熔融石英陶瓷的析晶抑制剂。这些添加剂虽然对熔融石英高温晶化具有一定的抑制析晶的作用，但是晶化抑制效果并不理想，当温度升高至1300°C以上温度时，熔融石英陶瓷材料仍会出现较明显的析晶现象。本发明是采用纳米氧化铈作为晶化抑制剂引入到熔融石英陶瓷材料粉体中，粉体经成型及高温烧结后制得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。与未引入纳米氧化铈的纯熔融石英陶瓷材料空白样品比较，该熔融石英陶瓷材料具有强度高、晶化程度低、热膨胀系数小等优点，是一种安全性可靠性程度更高的熔融石英陶瓷材料。本发明可为我国玻璃熔制、 钢铁及有色金属冶金、电子、军工导弹、航天器等领域提供一种新型高温结构材料，具有广阔的应用前景及强化国防的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种强度高、低热膨胀、抗热震性能好、安全可靠性高的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法。本发明的技术方案与技术特征为本发明为一种含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于该陶瓷材料所用原料以及原料的重量百分比为熔融石英细粉97 99%，纳米氧化铈1 3%。 该陶瓷材料制备包括以下步骤坯料制备；坯体成型；坯体干燥；坯体烧成。熔融石英细粉的粒径为0.010 0.060mm，熔融石英细粉纯度的重量百分比为彡99.0%。纳米氧化铈的粒径< lOOnm，纳米氧化铈纯度的重量百分比为 CeO2 彡 99. 0%。坯料制备方法纳米氧化铈按重量配比计量后加入一定量无水乙醇搅拌0. 5 2小时，然后在不断搅拌状态下逐步熔融石英细粉进行湿混，继续搅拌混合0. 5 2小时后水浴加热搅拌至干燥粉体，将该粉体打散后在不断搅拌状态下逐步加入质量浓度1. 5 2% 的聚乙烯醇溶液5 7% (重量百分比，外加)，继续搅拌混合2 3分钟后过80目筛，过筛后继续搅拌1 2分钟后置于密闭塑料袋中困料，经4 6小时困料后获得可供压力成型的坯料。坯体成型方法将上述混合均勻并经困料的坯料采用液压机成型为坯体，坯体成型压强为彡50MPa。坯体干燥方法将成型后坯体在20°C室温干燥4 6小时，之后在60°C 80°C干燥1 2小时，最后经100°C干燥1 2小时获得供烧成的干燥坯体。坯体烧成方法干燥后的坯体经1300 1350°C高温烧成，保温1 3小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。
具体实施例方式实施例1试样所用原料以及原料的重量百分比为粒径为0. 010 0. 060mm的熔融石英细粉98%，粒径< IOOnm的纳米氧化铈2%。首先向纳米氧化铈粉末中加入一定量无水乙醇搅拌2小时，然后在不断搅拌状态下逐步熔融石英细粉进行湿混，继续搅拌混合2小时后水浴加热搅拌至干燥松散状态，将该粉体打散后在不断搅拌状态下逐步加入质量浓度2 %的聚乙烯醇溶液结合剂7% (重量百分比，外加)，继续搅拌混合2分钟后过80目筛，过筛后继续搅拌2分钟后置于密闭塑料袋中困料，经5小时困料后获得可供压力成型的坯料。坯料采用液压机成型为坯体，坯体成型压强为50MPa，将成型后坯体在20°C室温干燥6小时， 之后在70°C干燥1小时，最后经100°C干燥1小时获得供烧成的干燥坯体，干燥后的坯体经 1350°C高温烧成，保温1小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。该陶瓷材料的抗折强度为17. 4MPa ；热膨胀率0. 18% (20 1000°C )，而未引入纳米氧化铈的熔融石英空白样品的抗折强度为8. 6MPa ；热膨胀率为1. 0% (20 1000°C )。 对比试验结果表明，含有2%纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料，经1350°C高温烧成后的熔融石英晶化为方石英的程度很小，其热膨胀率值仅为空白样品的18%，具有显著的晶化抑制效果。实施例2试样所用原料以及原料的重量百分比为粒径为0. 010 0. 060mm的熔融石英细粉97%，粒径< IOOnm的纳米氧化铈3%。首先向纳米氧化铈粉末中加入一定量无水乙醇搅拌2小时，然后在不断搅拌状态下逐步熔融石英细粉进行湿混，继续搅拌混合2小时后水浴加热搅拌至干燥松散状态，将该粉体打散后在不断搅拌状态下逐步加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液结合剂7% (重量百分比，外加)，继续搅拌混合3分钟后过80目筛，过筛后继续搅拌2分钟后置于密闭塑料袋中困料，经4小时困料后获得可供压力成型的坯料。坯料采用液压机成型为坯体，坯体成型压强为50MPa，将成型后坯体在20°C室温干燥6小时， 之后在70°C干燥1小时，最后经100°C干燥1小时获得供烧成的干燥坯体，干燥后的坯体经 1300°C高温烧成，保温1小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。该陶瓷材料的抗折强度为53. 7MPa ；热膨胀率0. 046% (20 1000°C )，而未引入
4纳米氧化铈的空白样品的抗折强度为25. SMPa ；热膨胀率为0. 2% (20 1000°C )。对比试验结果表明，含有3%纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料，经1300°C高温烧成后的熔融石英晶化为方石英的程度小，其热膨胀率仅为空白样品的23%，具有明显的晶化抑制效果。实施例3试样所用原料以及原料的重量百分比为粒径为0. 010 0. 060mm的熔融石英细粉99%，粒径< IOOnm的纳米氧化铈1%。首先向纳米氧化铈粉末中加入一定量无水乙醇搅拌2小时，然后在不断搅拌状态下逐步熔融石英细粉进行湿混，继续搅拌混合2小时后水浴加热搅拌至干燥松散状态，将该粉体打散后在不断搅拌状态下逐步加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液结合剂7% (重量百分比，外加)，继续搅拌混合3分钟后过80目筛，过筛后继续搅拌2分钟后置于密闭塑料袋中困料，经4小时困料后获得可供压力成型的坯料。坯料采用液压机成型为坯体，坯体成型压强为50MPa，将成型后坯体在20°C室温干燥6小时， 之后在70°C干燥1小时，最后经100°C干燥1小时获得供烧成的干燥坯体，干燥后的坯体经 1350°C高温烧成，保温1小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。该陶瓷材料的抗折强度为45. OMPa ；热膨胀率0. 031% (20 1000°C )，而未引入纳米氧化铈的空白样品的抗折强度为8. 6MPa ；热膨胀率为1. 0% (20 1000°C )。对比试验结果表明，含有纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料，经1350°C高温烧成后的熔融石英晶化为方石英的程度小，其热膨胀率仅为空白样品的3. 1%，具有明显的晶化抑制效果。
权利要求
1.本发明为含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于该陶瓷材料所用原料以及原料的重量百分比为熔融石英细粉97 99%，纳米氧化铈1 3%。该陶瓷材料制备包括以下步骤坯料制备；坯体成型；坯体干燥；坯体烧成。
2.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于所用熔融石英细粉的平均粒径为0. 010 0. 060mm,熔融石英细粉纯度的重量百分比为 SiO2 彡 99. 0%。
3.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于所用纳米氧化铈的粒径为< lOOnm，纳米氧化铈纯度的重量百分比为( 彡99. 0%。
4.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于坯料的制备方法是将纳米氧化铈按配比计量后加入一定量无水乙醇搅拌0. 5 2小时，然后在不断搅拌状态下逐步加入熔融石英细粉进行湿混，继续搅拌混合0. 5 2小时后水浴加热搅拌至干燥松散状态，将该粉体打散后在不断搅拌状态下逐步加入质量浓度1. 5 2% 的聚乙烯醇溶液结合剂7% (重量百分比，外加)，继续搅拌混合2 3分钟后过80目筛， 过筛后继续搅拌1 2分钟后置于密闭塑料袋中困料，经4 6小时困料后获得可供压力成型的坯料。
5.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于坯体的成型方法是将上述混合均勻并经困料的坯料采用液压机成型为坯体，坯体成型压强为彡 50MPao
6.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于坯体的干燥方法是将成型后坯体在20°C室温干燥4 6小时，之后在60°C 80°C干燥1 2 小时，最后经100°C干燥1 2小时获得供烧成的干燥坯体。
7.如权利要求1所述的含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，其特征在于坯体的烧成方法是将干燥后的坯体经1300 1350°C高温烧成，保温1 3小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。
全文摘要
本发明涉及含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料的制备方法，属高温结构陶瓷材料领域。该陶瓷材料所用原料以及原料的重量百分比为熔融石英细粉97～99％，纳米氧化铈1～3％。其制备方法是将纳米氧化铈加乙醇搅拌后再加入熔融石英细粉湿混，干燥后再加入聚乙烯醇溶液结合剂经搅拌、过筛、困料后获得坯体成型用坯料。坯体采用液压机成型，成型压强≥50MPa。坯体干燥后经1300～1350℃高温烧成，保温1～3小时后获得含纳米氧化铈的熔融石英陶瓷材料。该材料的热膨胀率小、晶化程度很低。本发明可为我国玻璃熔制、钢铁及有色金属冶金、电子、军工导弹、航天器等领域提供一种新型高温结构材料，具有广阔的应用前景及强化国防的意义。
文档编号C03C10/14GK102503147SQ20111033761
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月15日 优先权日2011年10月15日
发明者卜景龙, 王志发, 王榕林, 王瑞生, 谷莹蕾, 陈越军 申请人:河北联合大学