专利名称：尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法
技术领域：
本发明涉及红外辐射材料领域，尤其涉及一种特别适用于高温工业窑炉(锅炉)的红外辐射节能涂料、红外辐射加热器等产品的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法。
背景技术：
红外辐射材料由于其优异的红外辐射性能而受到广泛关注，在工业炉节能、提高红外加热器热效率、航天器热控制等方面得到广泛应用。目前，国内外已研制出了多种红外辐射陶瓷材料，主要有氧化锆体系、锆英砂体系、碳化硅体系、氧化铬体系、氧化铁-氧化锰体系等。
在各类红外辐射陶瓷材料中，氧化铁-氧化锰体系过渡金属氧化物的红外辐射性能优良，且其结构和红外辐射性能的温度稳定性较好，尤为受到重视。但这类红外辐射材料的热膨胀系数较大，抗热震冲击性能不理想。在氧化铁-氧化锰体系中加入热膨胀系数较低的硅酸盐矿物材料可以提高其抗热震冲击性能，然而硅酸盐矿物材料的红外辐射率通常比较低，大量加入硅酸盐矿物材料在改善抗热震冲击性能的同时，会降低材料的红外辐射性能。而且,这种复合体系的红外辐射材料的制备工艺比较复杂,往往需要经过二次烧成工艺才能获得，即先通过一次固相合成使过渡金属氧化物形成尖晶石固溶体，然后通过二次固相合成使尖晶石固溶体与硅酸盐矿物材料形成多相复合结构的最终产物。上述二次烧成工艺的制备方法需要两次的球磨混合、破碎、粉碎和烧结，能源消耗大，生产效率低，生产成本高。探索过渡金属氧化尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的简便、高效制备方法对实际应用具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种通过一次烧成制备尖晶石-硅酸盐的多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的简便方法，其效率高，生产成本低。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤
I)初步处理首先将各种原料按规定比例配料，再对所述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体的初步处理；所述的原料包括有形成尖晶石型固溶体的A组分、形成硅酸盐矿物的B组分和促进剂C组分，其质量比为100% =20^300% =0^15%,所述的A组分包括有 Fe203、MnO2, Cu。、Co203、Mo2O3> Ni。、V2O5 和 WO3,所述的 B 组分包括有 Al2O3' SiO2' Mg。、Ba0、Ca0和TiO2，所述的促进剂C组分包括有玻璃粉和B2O3,各组分含量以质量百分比计为Fe2O3 :0 60%、MnO2: 0 60%、Al2O3 :5 50%、SiO2 :5 50%、CuO :0 12%、
Co2O3 :0 10%、Mg0 :0 10%、Mo2O3 :0 6%、Ni0 :0 6%、TiO2 :0 6%、
V2O5 0^5%, WO3 :0 5%、Ba0 :0 3%、CaO :0 3%、玻璃粉0 3%、B2O3 :0 3% ；
2)烧成制备将步骤I)所得块状坯体在80(T98(TC温度范围内进行加热保温，加热保温时间为I飞小时，形成尖晶石型固溶体；然后继续升温到1100 13001温度范围内进行加热保温，加热保温时间为21小时，形成硅酸盐矿物，使尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物进行多相复合，形成多相复合结构的黑色烧结体；
3)将步骤2)所得的黑色烧结体经破碎、粉碎和过20(T500目筛，制备出粒度小于74ii m的尖晶石-硅酸盐的多相复合体系红外辐射陶瓷粉料。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为20%Fe203、12%Mn02、
2.4%Cu0、2. 4%Mo203、2%V205、1. 2%W03、20%A1203、25. l%Si02、10%Mg0、I. 5%Ba0、l. 4%CaO、l% 玻璃粉和1%B203。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为I l%Mn02、10%Co203、 3%Ni0、5%W03、50%Al203、9%Si02、6%Ti02、3%Ca0 和 3% 玻璃粉。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为6%Fe203、12%Cu0、4%Mo203、5%V205、14%Al203、50%Si02、3%Mg0、3%Ba0 和 3%B203。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为60%Fe203、8%Mn02、4%CuO、3%Co203、6%Mo203、2%W03、5%Al203、10%Si02、l%Mg0 和 l%BaO。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为60%Mn02、4%Cu0、2%Mo203、3%V205、6%Ni0、ll%Al203、5%Si02、3%Ti02、2%Ba0、2% 玻璃粉和 2%B203。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为按质量比ll%Fe203、30%Mn02、3%Cu0、2%Mo203、2%V205、1%W03、33%A1203、14%Si02、3%Ca0 和 1% 玻璃粉。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为按质量比24%Fe203、40%Mn02、7%Co203、3%Mo203、2%Ni0、14%Al203、6%Si02、l%MgO、l%BaO、l%CaO 和 1%B203。按上述方案，所述的原料各组分含量以质量百分比计优选为30%Fe203、2 l%Mn02、10%Cu0、l%W03、10%Al203、23%Si02、2%Ba0 和 3%Mg0。按上述方案，所述的玻璃粉由下列质量百分含量的原料配置而成Si02 :65%、Al2O3 15%, CaO :5%、BaO :3%、MgO :8%、TiO2 :2%、ZnO :2%。本发明的基本反应原理是通过烧结温度制度来控制各种原料在不同温度下分步发生形成尖晶石型固溶体的固相合成反应、形成硅酸盐矿物的固相合成反应以及尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物的多相复合反应，并利用促进剂来改善尖晶石型固溶体的固相合成反应和硅酸盐矿物的固相合成反应。与现有尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法相比，本发明的特点是
(1)在80(T980°C 温度范围内，Fe2O3、MnO2、CuO、Co2O3、Mo2O3、Ni O、V2O5 和 WO3 等多种过渡金属氧化物通过固相反应形成尖晶石型固溶体。由于在尖晶石型固溶体的晶体结构中分布有不同种类和价态的多种过渡金属离子，增强了其红外辐射能力，与目前的氧化铁-氧化锰体系材料相比，具有更优良的红外辐射性能；
(2)在110(ri300°C温度范围，Al203、Si02、Mg0、Ba0、Ca0、Ti02等氧化物通过固相反应形成硅酸盐矿物，少量尖晶石型固溶体中的过渡金属离子能够固溶进入所形成的硅酸盐物相的晶格中，从而提高了硅酸盐矿物的红外辐射性能，克服了常规硅酸盐矿物材料红外辐射率较低的不足；
(3)通过控制升温和保温工艺制度，使尖晶石型固溶体的固相合成反应、硅酸盐矿物的固相合成反应以及尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物的多相复合在一次烧成过程中依次完成，简化了生产工艺过程，缩短了生产周期，提高生产效率，降低制造成本；
(4)加入少量玻璃粉和B2O3等低熔点化合物，促进尖晶石型固溶体的固相合成反应和硅酸盐矿物的固相合成反应的依次完成；
本发明所用原料均为普通原料，制备方法简单，尖晶石-硅酸盐多相复合体系材料的结构稳定好，红外辐射性能优良，并易于通过控制组成来调节材料的结构和性能，应用前景广泛，特别适用于高温工业窑炉(锅炉)的红外辐射节能涂料、红外辐射加热器等产品。
图I为实施例I尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的XRD图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制
实施例I
按质量 :20%Fe203、12%Mn02、2. 4%Cu0、2. 4%Mo203、2%V205、1. 2%W03、20%A1203、25. l%Si02、10%Mg0、l. 5%Ba0、l. 4%CaO、l%玻璃粉和1%B203进行配料，所述玻璃粉的原料组成为65%Si02、15%Al203、5%Ca0、3%Ba0、8%Mg0、2%Ti02、2%Zn0,将上述配料进行球磨、混合、
干燥和压制成型为块状坯体；在上述块状坯体的烧成制备过程中，先加热到950°C保温4小时，形成尖晶石型固溶体，然后继续升温到1200°C保温2小时，形成硅酸盐矿物，使尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物进行多相复合，形成多相复合结构的黑色烧结体；再经破碎和粉碎，过320目筛，制备出粒度小于47 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。所得的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 91，8 u nT25 u m波段的辐射率为0. 93，8 y nTl4 u m波段的辐射率为0. 94，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 95。图I为实施例I中多种过渡金属氧化物与Al203、Si02、Mg0、Ba0、Ca0等氧化物经过一次配料和二次分步高温固相反应后所形成合成产物的XRD图谱，主要为尖晶石型固溶体和堇青石的衍射峰，此外还有少量镁铝尖晶石的衍射蜂，说明合成产物具有多相复合结构，主要由尖晶石型固溶体和堇青石构成，其中多种过渡金属氧化物形成尖晶石型结构的固溶体。实施例2
按质量比:ll%Mn02、10%Co203、3%Ni0、5%W03、50%Al203、9%Si02、6%Ti02、3%Ca0、3% 玻璃粉进行配料，其中玻璃粉的原料组成为65%Si02、15%A1203、5%Ca0、3%Ba0、8%Mg0、2%Ti02、2%Zn0,将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到800°C保温6小时，然后继续升温到1300°C保温6小时；再经破碎和粉碎，过200目筛，制备出粒度小于74 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 90，8 ii nT25 u m波段的辐射率为0. 94，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 92，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 94。实施例3
按质量比6%Fe203、12%Cu0、4%Mo203、5%V205、14%A1203、50%Si02、3%Mg0、3%Ba0、3%B203 进行配料，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到950°C保温2小时，然后继续加热到1200°C保温8小时；再经破碎和粉碎，过400目筛，制备出粒度小于38 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 89，8 nT25 u m波段的辐射率为0. 90，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 90，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 93。实施例4
按质量 t匕60%Fe203、8%Mn02、4%CuO、3%Co203、6%Mo203、2%W03、5%A1203、10%Si02、l%Mg0、l%Ba0进行配料，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到980°C保温3小时，然后继续升温1250°C保温2小时；再经破碎和粉碎，过500目筛，制备出粒度小于26 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 91,8u nT25 u m波段的辐射率为0. 93，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 92，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 94。实施例5
按质量 :60%Mn02、4%Cu0、2%Mo203、3%V205、6%Ni0、ll%Al203、5%Si02、3%Ti02、2%Ba0、2%玻璃粉、2%B203进行配料，其中玻璃粉的原料组成为65%Si02、15%Al203、5%Ca0、3%Ba0、8%Mg0、2%Ti02、2%Zn0，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到850°C保温5小时，然后继续升温到1100°C保温8小时；再经破碎和粉碎，过230目筛，制备出粒度小于61 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 91,8u nT25 u m波段的辐射率为0. 92，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 95，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 96。实施例6
按质量 t匕ll%Fe203、30%Mn02、3%Cu0、2%Mo203、2%V205、1%W03、33%A1203、14%Si02、3%Ca0、l%玻璃粉进行配料，其中玻璃粉的原料组成为65%Si02、15%Al203、5%Ca0、3%Ba0、8%Mg0、2%Ti02、2%Zn0，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到900°C保温2小时，然后继续升温到1150°C保温6小时；再经破碎和粉碎，过400目筛，制备出粒度小于38 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 92，8 ii nT25 u m 波段的辐射率为0. 94，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 93，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 95。
实施例7
按质量比24%Fe203、40%Mn02、7%Co203、3%Mo203、2%Ni0、14%Al203、6%Si02、l%Mg0、l%Ba0、l%Ca0、l%B203进行配料，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到850°C保温3小时，然后继续升温到1130°C保温5小时；再经破碎和粉碎，过200目筛，制备出粒度小于74 m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 90，8 ii nT25 u m波段的辐射率为0. 93，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 92，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 92。实施例8
按质量比30%Fe203、21%Mn02、10%Cu0、l%W03、10%Al203、23%Si02、2%Ba0、3%Mg0 进行配 料，将上述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体；在上述坯体的烧成制备过程中，先加热到950°C保温4小时，然后继续升温到1250°C保温7小时；再经破碎和粉碎，过325目筛，制备出粒度小于44y m的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料。尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料的法向全波段辐射率为0. 89，8 nT25 u m波段的辐射率为0. 92，8 u nTl4 u m波段的辐射率为0. 92，14 u nT25 u m波段的辐射率为0. 93。经红外辐射性测试证明，本发明制备的尖晶石-硅酸盐多相复合体系陶瓷粉料具有优良的红外辐射性能，其法向全波段辐射率为0. 89、. 92,8u nT25 u m波段的辐射率为0. 90 0. 94，8 ii nTl4 ii m波段的辐射率为0. 89 0. 95,14u nT25 U m波段的辐射率为0. 92、. 96。本发明的制备方法所用原料均为来源广泛的普通原料，尖晶石-硅酸盐多相复合体系材料的结构稳定好，红外辐射性能优良，该制备方法简单易行、生产周期短、制造成本低，对于尖晶石-硅酸盐多相复合体系材料的推广应用具有重要意义。以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤 1)初步处理首先将各种原料按规定比例配料，再对所述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体的初步处理；所述的原料包括有形成尖晶石型固溶体的A组分、形成硅酸盐矿物的B组分和促进剂C组分，其质量比为100% =20^300% =0^15%,所述的A组分包括有 Fe203、MnO2, Cu。、Co203、Mo2O3> Ni。、V2O5 和 WO3,所述的 B 组分包括有 Al2O3' SiO2' Mg。、Ba0、Ca0和TiO2，所述的促进剂C组分包括有玻璃粉和B2O3,各组分含量以质量百分比计为Fe2O3 :0 60%、MnO2: 0 60%、Al2O3 :5 50%、SiO2 :5 50%、CuO :0 12%、Co2O3 :0 10%、Mg0 :0 10%、Mo2O3 :0 6%、Ni0 :0 6%、TiO2 :0 6%、V2O5 0^5%, WO3 :0 5%、Ba0 :0 3%、CaO :0 3%、玻璃粉0 3%、 B2O3 :0 3% ； 2)烧成制备将步骤I)所得块状坯体在80(T98(TC温度范围内进行加热保温，加热保温时间为I飞小时，形成尖晶石型固溶体；然后继续升温到1100 13001温度范围内进行加热保温，加热保温时间为21小时，形成硅酸盐矿物，使尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物进行多相复合，形成多相复合结构的黑色烧结体； 3)将步骤2)所得的黑色烧结体经破碎、粉碎和过20(T500目筛，制备出粒度小于74ii m的尖晶石-硅酸盐的多相复合体系红外辐射陶瓷粉料。
2.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为20%Fe203、12%Mn02、2. 4%CuO、2.4%Mo203、2%V205、1. 2%W03、20%A1203、25. l%Si02、10%Mg0、I. 5%Ba0、I. 4%CaO、1% 玻璃粉和1%B203o
3.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为Il%Mn02、10%Co203、3%Ni0、5%W03、50%A1203,9%SiO2,6%TiO2,3%Ca0 和 3% 玻璃粉。
4.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为6%Fe203、12%Cu0、4%Mo203、5%V205、14%Al203、50%Si02、3%Mg0、3%Ba0 和 3%B203。
5.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为60%Fe203、8%Mn02、4%CuO、3%Co203、6%Mo203、2%W03、5%Al203、10%Si02、l%Mg0 和 l%BaO。
6.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为60%Mn02、4%Cu0、2%Mo203、3%V205、6%Ni0、11%A1203、5%Si02、3%Ti02、2%Ba0、2% 玻璃粉、2%B203。
7.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为按质量比ll%Fe203、30%Mn02、3%Cu0、2%Mo203、2%V205、1%W03、33%A1203、14%Si02、3%Ca0 和 1% 玻璃粉。
8.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为按质量比24%Fe203、40%Mn02、7%Co203、3%Mo203、2%Ni0、14%Al203、6%Si02、l%MgO、l%BaO、l%CaO 和 1%B203。
9.按权利要求I所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的原料各组分含量以质量百分比计为30%Fe203、21%Mn02、10%Cu0、1%W03>10%Al203、23%Si02、2%Ba0 和 3%MgO。
10.按权利要求1-9任一项所述的尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，其特征在于所述的玻璃粉由下列质量百分含量的原料配置而成=SiO2 65%,Al2O3 15%, CaO :5%、BaO :3%、MgO :8%、TiO2 :2%、ZnO :2%。
全文摘要
本发明涉及尖晶石-硅酸盐多相复合体系红外辐射陶瓷粉料的制备方法，首先将各种原料按规定比例配料，再对所述配料进行球磨、混合、干燥和压制成型为块状坯体的初步处理，所得块状坯体在800~980℃温度范围内进行加热保温，形成尖晶石型固溶体；然后继续升温到1100~1300℃温度范围内进行加热保温，形成硅酸盐矿物，使尖晶石型固溶体与硅酸盐矿物进行多相复合，形成多相复合结构的黑色烧结体；将所得的黑色烧结体经破碎、粉碎和过筛，即得。本发明所用原料均为来源广泛的普通原料，简单易行、生产周期短、制造成本低，可用于高温工业窑炉(锅炉)的红外辐射节能涂料、红外辐射加热器等方面，具有广泛的应用前景。
文档编号C04B35/26GK102701746SQ20121014730
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者张枫, 徐庆, 黄端平 申请人:武汉理工大学