一种人工合成云母超大尺寸单晶的熔制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人工合成云母大尺寸单晶的熔制方法，属于特种材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 对比天然矿产云母，人工合成云母具有更高的绝缘性能，质地纯净、无色透明、耐 高热、化学稳定性更好等诸多显著优点，已被广泛地应用于军工、电子、电力、化工和建筑工 业之中，成为开发多种高科技产品的重要原料。云母晶体属于二维晶体，高温熔融状态下控 制其定向生长，影响因素复杂多变，有效控制难度非常大，生产条件要求严格苛刻。
[0003] 随着我国国民经济的快速发展，作为战略性新材料的高性能人工合成云母超大晶 体市场量越来越大，人工合成云母超大晶体许多性能都优于天然云母，如耐温高达1200°c 以上，在高温条件下，合成氟金云母的体积电阻率比天然云母高1000倍，电绝缘性好、高温 下真空放气极低、以及耐酸碱、透明、可分剥和富有弹性等特点，是电机、电器、电子、航空等 现代工业和高技术的重要非金属绝缘材料。
[0004] 国家需要就是我们的动力，随着科学技术的进步和发展，我国对新材料也提出新 要求。这样，人工合成云母超大单晶，大于323X 139X21.5mm，做为军工和高科技领域的窗 口材料又被提入议事日程。为了解决军工和高科技领域的需求，并满足国家的需要为目的， 从2015年开始了人工合成云母超大单晶的研制和生产。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，完善工艺，优化热工 条件，改进设备，从而提供一种人工合成云母超大尺寸单晶的熔制方法，该方法可以合成超 大尺寸的云母单晶体，该单晶体属于硅酸盐类人工云母晶体，是在1500°C高温状态下，经严 格的工艺条件及材料配比，在铂金坩埚中熔炼而成的云母晶体（理想化学式为KMg 3 (AlSi301Q)F2)。人工合成云母大尺寸单晶充分解决了电绝缘、高频介质、高温真空、高温高 压、强酸强碱、分子生物学研究、DNA结构分析、中子反射试验等领域的亟需材料的问题，具 有明显的经济效益和社会效益。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种人工合成云母超大尺寸单晶的熔制方法，包括以下步骤：
[0008] (1)、原材料提纯:合成云母(KMg3 (A1 Si301Q)F2)经破碎、除杂、浸泡、高压旋流破碎 后得到粗浆液;粗浆液经分离、脱水后得到云母浆;云母浆经脱水、烘干、压制成料锭，料锭 烘干后得提纯后的原材料；
[0009] 人工合成超大云母晶体，其特点就是用纯净云母细小鳞片长成大的单晶体，不填 加任何助溶剂和其他外加剂;而云母属于二维晶体，控制生长非常困难，一点点的杂质对云 母单晶的生长都会造成多晶、杂晶或异向生长，达不到取得大单晶的目的，所以原料的纯度 极为重要，目的是剔除一切非云母晶体的杂质。
[0010] (2)原材料加密:将步骤(1)得到的原材料进行加热熔融成液体后，重复进行加料、 熔融过程2次，熔融结束后将熔融液体冷却成型并切割成料块，料块清洗、烘干后即得加密 后的原材料。
[0011] 经过步骤（1)提纯后的原材料，虽然经过了压锭处理，但是仍然比较疏松、密度较 小，约1.2g/cm 3;在坩埚内进行熔融时，体积也会变得很小，难以满足合成云母超大单晶所 需的料量（由于坩埚的容积有限，反应条件又不允许将坩埚无限加长），所以必须提高长成 超大单晶所需原料的密度(达2.8g/cm 3)，另外生长云母超大单晶除一定要足够的料量以 外，还要始终保持原料的纯净度，绝不能被污染。
[0012] (3)晶体生长:首次进行晶体生长时，将步骤(2)得到的料块放入晶体生长炉中，1/ 3的料块做为晶种，料块和晶种在高温条件下、晶种的定向作用下，云母晶体进行二维的顺 序结晶，形成人工合成云母单晶(KMg 3(AlSi3〇1Q)F2);该人工合成云母单晶，选用符合要求的 书状部分，切割作为下一炉晶体生长时的晶种使用；
[0013] 循环进行晶体生长时，将步骤(2)得到的料块和前一炉得到的晶种一同放入晶体 生长炉中，料块和晶种在高温条件下、晶种的定向作用下，云母晶体进行二维的顺序结晶， 形成所述的人工合成云母超大尺寸单晶(KMg3(AlSi3〇io)F2);所述的人工合成云母超大尺寸 单晶，一部分作为下次晶体生长时使用的晶种，一部分采收;所述的料块和晶种的重量比为 1 ~2:1〇
[0014] 上述技术方案中，步骤(1)中，所述的原材料提纯，具体操作步骤如下：
[0015]①前处理:将合成云母破碎，粒径至少为4目；手选排除云母碎片中的杂质，然后用 强磁铁吸走云母碎片中存在的具有磁性的杂质，除杂后的云母碎片备用；
[0016] ②浸泡:将步骤（1)除杂后得到的云母碎片放入塑料箱中，用纯净水冲洗干净后， 再用纯净水浸泡，浸泡时间至少为30min，让水分充分浸润到云母碎片的层间，使云母碎片 软化；
[0017] ③制备粗浆液:先向纯水池中充满纯净水，然后利用高压水栗将纯净水导入旋流 制浆破碎机中，纯净水的压力为20Kg/cm2，水从旋流制浆破碎机的出料口流进粗浆池中，所 述的粗浆池配设有渣浆栗;待旋流制浆破碎机运转正常后，开启渣浆栗，使粗浆池中的水能 顺畅的流动运行，并且粗浆池没有跑、冒、滴、漏的现象;然后将步骤(2)浸泡后得到的云母 碎片从旋流制浆破碎机的加料口缓慢投入，速度为80~100kg/h;云母碎片和纯净水经过高 压旋流破碎后，经旋流制浆破碎机的出料口流入到粗浆池中，粗浆池中的混合物即为粗浆 液；
[0018] (4)制备云母浆:利用渣浆栗将步骤(3)得到的粗浆液抽出进入到旋流器中，在旋 流器中，纯净的云母浆和云母渣得到分离，控制成浆率为20%~25%;其中，得到云母浆经 过脱水筛脱水后，目数为80目~10目的浆液流入到云母浆池中，云母浆池中的产物即为云 母浆，脱除的水分流入纯水池中经过滤后循环利用;旋流器排渣口得到的云母渣回收，另作 它用；
[0019] 所述的旋流器，操作条件为:常温、压力为1.8Kg/cm2;所述的脱水筛为80目不锈钢 筛网，操作条件为:常温、常压；
[0020] (5)制锭:利用真空栗和真空箱对将步骤(4)得到的云母浆进行抽真空脱水，真空 度为3300PA;将脱除水分后的物料在120°C下烘干120min;再将烘干后的物料用液压机和其 内的料锭模具压制成料锭，料锭在150°C下烘干60min后，即得提纯后的云母粉晶体;所述的 料锭，规格Φ 180mm，厚度20mm。
[0021]上述技术方案中，步骤(2)中，所述的原材料加密，具体操作步骤如下：
[0022]①装料:将铂坩埚放入规格一致的石英坩埚内，再将装有铂坩埚的石英坩埚放入 高温炉中，然后将步骤（1)得到的一部分料锭放入铂坩埚内，铂坩埚内放满料锭，然后关闭 高温炉的炉门；
[0023] ②首次升温加热：对高温炉进行升温，3小时内温度匀速上升为1400°C，在1400°C 下恒温加热2h;
[0024] ③二次升温加热:首次升温加热结束后，打开高温炉的炉门，夹取料锭放置于高温 炉内的铂坩埚内（铂坩埚内放满料锭且保证铂坩埚内熔融的物料不溢出为止），关闭高温炉 的炉门，继续在1400°C下恒温加热lh;
[0025] ④三次升温加热:二次升温加热结束后，打开高温炉的炉门，夹取料锭放置于高温 炉内的铂坩埚内（铂坩埚内放满料锭且保证铂坩埚内熔融的物料不溢出为止），关闭高温炉 的炉门，继续在1400°C下恒温加热2h;
[0026] ⑤冷却成型:三次升温加热结束后，断开高温炉的开关，打开高温炉的炉门，将其 内的石英坩埚取出，并将其内铂坩埚内熔融的物料倒入高铝砖模具中（切记穿戴好防护服 具、以免灼伤，高铝砖模具使用前必须清理干净、避免污染），使其冷却成型；
[0027] ⑥切割、清洗及烘干:将冷却成型的物料在带锯上切成料块，将料块放入超声波清 洗机中用纯净水清洗两遍后，在120°C下烘干60min后即得加密的原材料，所述的超声波，频 率为40KHz;
[0028] 上述技术方案中，步骤(3)所述的晶体生长，具体操作步骤为：
[0029]①填料：先将无缝铂坩埚置于模具中，然后向无缝铂坩埚装入步骤（2)得到的料 块，上部的料块作为晶种使用，晶种占物料总重的1/3;注意避免物料的棱角划破无缝铂坩 埚;将无缝铂坩埚的上部折封严密，防止熔融后的熔料流下;此外，无缝铂坩埚上部要平整， 不要凹凸，保证生长的晶体表面平整和有足够的长度，并且防止热应力集中；
[0030] ②装耐火管：为了使无缝铂坩埚在晶体生长炉的炉膛内升降，并且防止无缝铂坩 埚在高温下软化变形，将步骤①填料后的无缝铂坩埚倒置装入一个耐火管中，在无缝铂坩 埚两侧面与耐火管的管壁之间分别加入一块尺寸为323X140 X4mm的刚玉板，最后用1500 °C焙烧过的氧化铝粉充填所有间隙（注意，操作时，切勿划伤薄铂坩埚；晶种部位的氧化铝 要填实，晶种上部的氧化铝粉充填的松紧适度）；然后每隔2~3个无缝铂坩埚外部侧面装测 温热电偶，用以监督晶种熔接情况和生长情况;将每个无缝铂坩埚装入耐火管后，可将这些 耐火管分别送入相应的炉膛室内，并置于与下降机构连接的台面上；
[0031] ③原料熔融:将步骤②的耐火管送入炉膛，装入耐火管中的无缝铂