钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法

专利名称：钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钛酸铝镁结晶构造体；更具体涉及具有高耐热性、极低的热膨胀性及高耐腐蚀性，即使在高温下也可稳定地持续使用，且具备高机械强度的钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法。
背景技术：
钛酸铝镁是跨越钛酸铝和钛酸镁的整个组成范围而生成的连续固溶体。其烧结体具有高耐热性、低热膨胀系数和良好的耐腐蚀性。钛酸铝镁例如为钛酸铝和钛酸镁以近等摩尔比固溶的烧结体时，其熔点约为1640℃。该熔点温度比钛酸铝的熔点约1870℃低，但高于钛酸镁的熔点1600℃。因此，钛酸铝镁的耐热高温极限不如钛酸铝，但优于钛酸镁。
另一方面，钛酸铝烧结体和钛酸镁烧结体的构成烧结体的晶粒都为假板钛矿(pseudobrookite)型结晶结构，具有热膨胀系数的各向异性。因此，存在随着加热、冷却在晶粒界面易产生由应力造成的偏移，出现微小的裂隙或空隙，导致机械强度易下降的缺点。由于钛酸铝镁也存在同样的缺点，因此钛酸铝镁烧结体的机械强度也不够充分。特别是用于高温下施加负荷的用途时，无法发挥足够的耐用性。
此外，钛酸铝的合成温度的下限为1280℃，钛酸镁的合成温度的下限为900℃，两者在低于合成温度范围的温度下都是不稳定的。作为它们的固溶体的钛酸铝镁与钛酸铝及钛酸镁同样，在低于合成温度范围的温度下也是不稳定的。因此，如果在分解温度范围内长时间地使用钛酸铝镁，则易热分解成TiO2(金红石型)和MgAl2O4(尖晶石型)。这里，钛酸铝镁的分解温度范围因钛酸铝和钛酸镁的固溶比例的不同而不同，通常为800～1280℃左右。例如，钛酸铝和钛酸镁以近等摩尔比固溶的钛酸铝镁烧结体如果在1100℃附近的温度范围内长时间连续使用，则热分解成TiO2(金红石型)和MgAl2O4(尖晶石型)(参照非专利文献1)。
因此，以往的钛酸铝镁烧结体无法在此分解温度范围内连续地使用，虽然该烧结体具备高耐热性、极低的热膨胀性和良好的耐腐蚀性，但由于在热分解性和机械强度方面的可靠性低，所以其使用受到限制。
非专利文献1Journal of American Ceramic Society，1998，81[10]pp.2645-2653发明的揭示本发明是鉴于上述问题完成的发明，其目的是提供具备高耐热性、极低的热膨胀性及高耐腐蚀性，同时热分解性低，即使在高温下也可稳定地连续使用，且具备高机械强度的钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法。
本发明者为了实现上述目的进行认真研究后发现，通过在组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的钛酸铝镁固溶体结晶中掺入具有特定温度范围的熔点的含硅化合物，优选铝硅酸盐化合物，由钛酸铝镁结晶中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶体形成的钛酸铝镁结晶构造体可实现上述目的，从而完成了本发明。
因此，本发明的钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法具备下述技术特征。
(1)钛酸铝镁结晶构造体，该构造体的特征在于，由组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的钛酸铝镁结晶的至少表面层中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶体形成，以20℃/分钟的升温速度在50～800℃的温度范围内加热时的热膨胀系数为-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，且在1100℃的大气中保持了300小时的钛酸铝镁的残存率在50％以上。
(2)上述(1)记载的钛酸铝镁结晶构造体，该构造体是Al原子的0.1～1摩尔％被Si原子取代了的固溶体。
(3)上述(1)或(2)记载的钛酸铝镁结晶构造体，根据JIS R1601测得的三点弯曲强度在25MPa以上。
(4)上述(1)记载的钛酸铝镁结晶构造体的制备方法，按照各自换算成氧化物计，在100质量份的以与组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的钛酸铝镁中的Mg、Al及Ti的金属成分比例同样的金属成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10质量份的具有700～1500℃的熔点的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃对该混合物进行煅烧。
(5)上述(4)记载的制备方法，其中，使钛酸铝镁结晶在含硅化合物的液相下生成。
(6)上述(4)或(5)记载的制备方法，其中，在原料混合物中添加成形助剂，然后对成形后的成形体进行煅烧。
(7)上述(4)～(6)中任一项记载的制备方法，其中，在700～1000℃的温度范围内对原料混合物进行预煅烧，然后进行煅烧。
(8)上述(4)～(7)中任一项记载的制备方法，其中，含硅化合物为铝硅酸盐。
(9)上述(8)记载的制备方法，其中，铝硅酸盐为选自斜长石、拟长石(feldspathoids)、云母粘土矿物、沸石及堇青石的矿物。
如上所述，本发明能够提供具备原有的耐热性和极低的热膨胀系数，耐热冲击性良好，同时具备高耐热分解性和高机械强度的钛酸铝镁结晶构造体。对于本发明获得上述具有良好特性的钛酸铝镁结晶构造体的原理还不明确，大致推测有下述理由。
本发明中，在形成钛酸铝镁的混合物中掺入上述具有特定熔点的含硅化合物的情况下，由于处于液相状态的含硅化合物在700～1500℃熔解，所以钛酸铝镁的生成反应在液相下进行，这样形成了致密的结晶，机械强度得到提高。此外，含硅化合物中包含的Si成分取代了钛酸铝镁的晶格中的一部分Al，发生固溶，但钛酸铝结晶系要先于钛酸镁结晶系发生固溶。这是因为假板钛矿型结晶结构中，钛酸铝的构成结晶结构的八面体的变形较大，结晶的各向异性明显，所以其结晶结构的稳定性不如钛酸镁。
即，Si优先固溶于钛酸铝的晶格，主要占据Al的位置。此时，4价的Si不是单独地取代保持着原本3价的电荷平衡的Al的位置，而是与系内的2价Mg成对，Si和Mg两者总共为6价，取代邻接的2个Al(总共为6价)。因此，利用Si和Mg的同时存在，即使在高温下也可抑制各阳离子间的离子的扩散，形成稳定的结晶结构，这样可带来更理想的耐热分解性。
实施发明的最佳方式本发明的钛酸铝镁结晶构造体由组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的钛酸铝镁结晶的至少表面层中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶体形成。本发明中，只要钛酸铝镁结晶的至少表面层中的Al原子被Si原子取代即可，当然钛酸铝镁结晶的内部(深层部)的Al原子也可被取代。Si原子的取代最好是在固溶极限范围内尽可能的多。此外，x值为0.1≤x＜1，特好为0.25≤x≤0.75。较好的是钛酸铝镁结晶中的Al原子的0.1～1摩尔％被Si原子取代的固溶体，特好的是Al原子的0.2～0.7摩尔％被Si原子取代的固溶体，最好是Al原子的0.25～0.45摩尔％被Si原子取代的固溶体。该比例小于0.1摩尔％时，Si原子的固溶所带来的结晶稳定化的效果不充分，无法获得较高的耐热分解性。另一方面，大于1摩尔％时，由于超过了Si对结晶的固溶极限，所以会有杂质相析出，不仅不利于抑制热分解，还会导致热膨胀系数的增大。
由Si原子取代的固溶体形成的本发明的结晶构造体的以20℃/分钟的升温速度在50～800℃的温度范围内加热时的热膨胀系数为-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，甚至是具有-3×10-6(1/K)～3×10-6(1/K)这样的极小的热膨胀性。其结果是，其耐热冲击性极大，非常理想。
此外，本发明的钛酸铝镁结晶构造体的特征在于耐热分解性高，即，即使在高温下也可稳定地持续使用。其所显现出的耐热分解性为在1100℃的大气中保持了300小时的钛酸铝镁的残存率在50％以上，更好是75％以上，最好为90％以上。而作为对照，如后述的比较例所示，以往的钛酸铝镁最高仅有35％左右的残存率。因此，本发明的钛酸铝镁结晶构造体提供了可在包含上述800～1280℃的分解性温度范围的高温范围内长期稳定地使用的可靠性高的材料。
此外，本发明的钛酸铝镁结晶构造体的特征在于，其机械强度良好。因此，作为机械强度的代表指标的JIS R1601的三点弯曲强度在25MPa以上，更好是30MPa以上，最好是40MPa以上。而作为对照，如后述的比较例所示，以往的钛酸铝镁最高仅有10MPa左右的强度。因此，本发明的钛酸铝镁结晶构造体提供了能够在以往的钛酸铝镁无法使用的要求高机械强度的领域使用的材料。
本发明的钛酸铝镁结晶构造体通过以下方法制得。即，按照各自换算成氧化物计，在100质量份的以与组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的钛酸铝镁中的Mg、Al及Ti的金属成分比例同样的金属成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10质量份的具有700～1500℃的熔点的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃对该混合物进行煅烧。
以上所用的含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物只要是通过煅烧可合成钛酸铝镁的成分即可，无特别限定。含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物可以不是各自单独的化合物，可以是含2种以上的金属成分的化合物。这些化合物可从通常作为氧化铝陶瓷、二氧化钛陶瓷、氧化镁陶瓷、钛酸铝陶瓷、钛酸镁陶瓷、尖晶石陶瓷、钛酸铝镁陶瓷等各种陶瓷的原料使用的化合物中适当选择。作为该化合物的具体例，可例示Al2O3、TiO2、MgO等氧化物，MgAl2O4、Al2TiO5、含Mg和Ti的各尖晶石型结构体等含2种以上的金属成分的复合氧化物，含选自Al、Ti及Mg的1种或2种以上的金属成分的化合物(碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)。
含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合比例应使这些化合物所包含的金属成分的比例与上述组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的钛酸铝镁中的Mg、Al及Ti的金属成分比例同样，最好实质上为同一比例。以该比例混合上述各化合物使用，可获得具有与作为原料使用的混合物中的金属成分比例同样的金属成分比例的钛酸铝镁。
制备本发明的钛酸铝镁结晶构造体时，在上述包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中混入具有700～1500℃的熔点的含硅化合物。所用含硅化合物的熔点很重要，熔点如果低于700℃，则被预烧结前添加剂会熔融，所以成形体中不会形成具备足够强度的结晶构造体。相反地，如果大于1500℃时，则钛酸铝镁的生成反应后的添加剂的熔融导致生成反应无法在液相下进行，所以Si原子的固溶变得困难，无法实现本发明的目的。例如，使用了熔点为1723℃的SiO2的情况下，不能够确认在所得结晶构造体的内部有Si离子存在，而是在晶粒的周围以SiO2的形态单独析出。含硅化合物的熔点更好为900～1300℃，特好为1000～1200℃。
作为上述含硅化合物，较好为铝硅酸盐。该铝硅酸盐可以是天然矿石或合成物中的任一种，从易获得和成本方面考虑，特好为铝硅酸盐矿物。作为铝硅酸盐矿物，可例示斜长石、拟长石、碱性长石、云母粘土矿物、沸石、堇青石等各种矿物。其中，碱性长石、斜长石和拟长石的熔点低，特别有利于促进钛酸铝镁的烧结。
上述含硅化合物的用量和钛酸铝镁结晶中的Al原子被Si原子取代的比例有关，相对于含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的各化合物换算为氧化物的合计值100质量份，为1～10质量份，较好为3～5质量份。将这种情况下的混合物作为氧化物换算的合计量是指进行了用于除去包含于上述混合物中的水分和有机物的加热处理后并进行了预烧结的情况下的预烧结后的正式烧结前的重量。
本发明中，可根据需要在加入了含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物、含硅化合物的原料混合物中加入其它的添加剂，这样可改善所得结晶构造体的性质。作为其它的添加剂，可例举例如SiO2、ZrO2、Fe2O3、MgO、Al2O3、TiO2、CaO、Y2O3等氧化物或含Mg的尖晶石型结构的氧化物等。100质量份上述混合物中的上述1种或2种以上的添加剂的添加量较好在15质量份以下。
上述包含含Mg化合物、含Al化合物及含Yi化合物、含硅化合物的原料混合物被充分地混合、粉碎。对混合物的混合、粉碎无特别限定，可按照已知的方法实施。例如，采用球磨机、介质搅拌机等实施。对上述原料混合物的粉碎程度无特别限定，平均粒径较好为30μm以下，特好为8～15μm以下。最好在不会形成二次粒子的范围内尽可能的小。
上述混合物也可直接煅烧，但最好是预先形成为最终使用形态的成形体后进行煅烧。成形时，最好在上述混合物中掺入成形助剂。作为成形助剂，可使用粘合剂、脱模剂、消泡剂及散凝剂等公知试剂。作为粘合剂，较好为聚乙烯醇、微晶蜡乳液、甲基纤维素、羧甲基纤维素等。作为脱模剂，较好为硬脂酸乳液等，作为消泡剂，较好为正辛醇、辛基苯氧基乙醇等，作为散凝剂，较好为二乙胺、三乙胺等。
对成形助剂的用量无特别限定，本发明中，相对于作为原料使用的含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的各化合物换算为氧化物的合计量100质量份，各成形助剂均以固形物换算的用量范围如下所述。即，粘合剂较好为0.2～0.6质量份左右，脱模剂较好为0.2～0.7质量份左右，消泡剂较好为0.5～1.5质量份左右，散凝剂较好为0.5～1.5质量份左右。加入了上述成形助剂的原料混合物被混合、混炼、成形。作为成形方法，可使用加压成形、片材成形、浇铸成形、挤出成形、注射成形、CIP成形等。
煅烧最好是在干燥后于1200～1700℃，较好为1300～1500℃实施。对煅烧的气氛无特别限定，最好是常用的空气中等含氧气氛。煅烧时间只要可确保烧结充分进行即可，通常为1～20小时左右。
对煅烧时的升温速度或降温速度无特别限定，可适当设定所得烧结体中不会有裂隙等的条件。例如，为了充分除去上述混合物中所含的水分和粘合剂等成形助剂，最好不是急剧地升温而是缓慢地升温。在加热至上述煅烧温度前，可根据需要较好是在700～1000℃左右的温度范围内通过10～30小时左右的平稳的升温实施预烧结，这样可缓解钛酸铝镁形成时导致裂隙产生的烧结体内的应力，抑制烧结体中的裂隙的产生，易获得均一的烧结体。
如上所述，以上获得的本发明的烧结体兼具良好的耐热性和低热膨胀系数，且结晶结构趋于稳定化，因此可形成具备良好的耐热分解性和高机械强度的结晶构造体。
实施例以下，通过实施例具体说明本发明，但毫无疑问本发明并不仅限定于此。
实施例1～5在100质量份由易烧结α型氧化铝26.7质量％(20摩尔％)、锐钛矿型二氧化钛62.8质量％(60摩尔％)及作为天然矿物存在的方镁石型氧化镁10.5质量％(20摩尔％)形成的混合物中，按照表1所示的Si原子的固溶率(取代率)添加1～10质量份化学式(Na0.6K0.4)AlSi3O8表示的碱性长石，再分别添加0.25质量份作为粘合剂的聚乙烯醇、1质量份作为散凝剂的二乙胺和0.5质量份作为消泡剂的聚丙二醇。然后，用球磨机混合3小时，再用120℃的干燥机干燥12小时以上，获得原料粉末。
将所得原料粉末粉碎成150筛目左右，以60MPa的成形压加压，获得100mm×100mm×10mm的成形体。
按照下述的加热程序在大气中对该成形体进行煅烧后，放冷，获得钛酸铝镁烧结体。
(加热程序)室温～140℃21小时于140℃保持14小时140～216℃21小时216～295℃16小时295～379℃46小时379～458℃20小时458～700℃28小时于700℃保持3小时700～1000℃26小时
1000～1400℃3小时于1400℃保持4小时比较例1除了未添加碱性长石以外，其它与上述实施例1～5同样地实施，获得钛酸铝镁烧结体。
研磨以上获得的实施例1～5的烧结体的结晶构造体，将经过研磨的结晶构造体作为检体，用TEM(透射电子显微镜)对它们进行观察，并对它们进行EDX元素分析，其结果是，在实施例1～5的晶粒的内部可见固溶的Si离子的存在。此外，采用NMR(核磁共振装置)对实施例1～5的结晶构造体进行29Si的光谱解析后发现，Si原子在结晶构造体中以6配位存在，这表示Si原子以4配位存在的含硅化合物通过在液相下的反应而固溶取代了Al原子(6配位)。
此外，分别对实施例1～5的烧结体和比较例1的结晶构造体进行XRD测定，由此求得钛酸铝镁结晶的衍射峰。实施例1～5的衍射峰与比较例1的相比，向低角度侧位移，由各自位移的移动量求出Si原子对结晶的固溶率(取代率)。
另外，按照JIS R1618，分别从实施例1～5的烧结体和比较例1的烧结体切出5mm×5mm×20mm的试样，进行表面研磨后，基于在20℃/分钟的升温条件下从50℃加热至800℃时的长边方向的膨胀量求得热膨胀系数。结果示于表1。
此外，分别从实施例1～5的烧结体和比较例1的结晶构造体切出10mm×10mm×10mm的试样，将其保持于1100℃的大气中，求出经过300小时后的钛酸铝镁的残存率α(％)，示于表1。
另外，通过以下的方法，利用XRD求得钛酸铝镁的残存率。
首先，由于在钛酸铝镁热分解时生成TiO2(金红石)和MgAl2O4(尖晶石)，所以用金红石的(110)面的衍射峰的积分强度(ITiO2(110))和钛酸铝镁的(023)面的衍射峰的积分强度(IMAT(023))由下式求出钛酸铝镁相对于金红石的强度比R。
R＝IMAT(023)/{IMAT(023)+ITiO2(110)}此外，对于进行1100℃的热处理前的烧结体，采用同样的方法求出钛酸铝镁相对于金红石的强度比R0。
然后，采用通过上述方法求得的R和R0，由下式求出钛酸铝镁的残存率α(％)。
α＝(R/R0)×100
接着，分别从上述实施例1～5和比较例1的烧结体切出3mm×4mm×40mm的试样，进行表面研磨，并磨出棱角。按照JIS R1601测定三点弯曲强度，结果分别示于表1。
表1

如表1的结果所示，钛酸铝镁结晶中的Al原子的一部分被Si原子取代了的固溶体维持了低膨胀特性，同时与比较例1相比，钛酸铝镁结晶的残存率高。另外，实施例1～5的结晶构造体与比较例1相比，具备非常好的机械强度。
实施例6～10在100质量份由易烧结α型氧化铝26.7质量％(20摩尔％)、锐钛矿型二氧化钛62.8质量％(60摩尔％)及作为天然矿物存在的方镁石型氧化镁10.5质量％(20摩尔％)形成的混合物中，添加换算成SiO2为1质量份的具有表2所示的化学式和熔点的铝硅酸盐矿物。
除此以外，与上述实施例1～5同样实施获得钛酸铝镁烧结体。对于所得烧结体，与实施例1～5同样地切出试样，测定热膨胀系数、钛酸铝镁的残存率α(％)及三点弯曲强度。其结果示于表3。
表2

表3

如表3可明显看出，利用在生成钛酸铝镁结晶的温度下熔解的含Si化合物进行液相烧结而得的实施例6～10的钛酸铝镁结晶构造体与比较例1相比，具有较低的热膨胀性，且钛酸铝镁结晶的残存率α(％)高，并具备高机械强度。
产业上利用的可能性本发明提供了具备良好的耐热性、极低的热膨胀性及良好的耐热冲击性，同时具备高耐热分解性和高机械强度的钛酸铝镁结晶构造体。该结晶构造体适用于坩埚、定位器、钢盆、炉材等煅烧炉用具，柴油机、汽油发动机等的排气净化用滤器及催化剂载体，发电装置的零部件，基板、电容器等电子零部件等广泛领域。
权利要求
1.钛酸铝镁结晶构造体，其特征在于，由组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的钛酸铝镁结晶的至少表面层中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶体形成，以20℃/分钟的升温速度在50～800℃的温度范围内加热时的热膨胀系数为-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，且在1100℃的大气中保持了300小时的钛酸铝镁的残存率在50％以上，上式中，0.1≤x＜1。
2.如权利要求1所述的钛酸铝镁结晶构造体，其特征在于，该构造体为Al原子的0.1～1摩尔％被Si原子取代了的固溶体。
3.如权利要求1或2所述的钛酸铝镁结晶构造体，其特征在于，根据JISR1601测得的三点弯曲强度在25MPa以上。
4.权利要求1所述的钛酸铝镁结晶构造体的制备方法，其特征在于，按照各自换算成氧化物计，在100质量份的以与组成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的钛酸铝镁中的Mg、Al及Ti的金属成分比例同样的金属成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10质量份的具有700～1500℃的熔点的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃对该混合物进行煅烧，上式中，0.1≤x＜1。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，使钛酸铝镁结晶在含硅化合物的液相下生成。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，在原料混合物中添加成形助剂，然后对成形后的成形体进行煅烧。
7.如权利要求4～6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在700～1000℃的温度范围内对原料混合物进行预煅烧，然后进行煅烧。
8.如权利要求4～7中任一项所述的制备方法，其特征在于，含硅化合物为铝硅酸盐。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，铝硅酸盐为选自斜长石、拟长石、云母粘土矿物、沸石及堇青石的矿物。
全文摘要
本发明提供耐热性及耐热冲击性良好、且具备高耐热分解性及高机械强度、即使在变化的高温下也可稳定地使用的钛酸铝镁结晶构造体及其制备方法。该钛酸铝镁结晶构造体的特征在于，由组成式Mg
文档编号C04B35/478GK1946653SQ20058001274
公开日2007年4月11日 申请日期2005年4月28日 优先权日2004年4月28日
发明者福田勉, 福田匡洋, 福田匡晃, 横尾俊信, 高桥雅英 申请人:王世来股份有限公司