专利名称：透明镁铝尖晶石纤维及其制备方法
技术领域：
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种以形状为特征的晶须或针状结晶(纤维)及其制备方法。
背景技术：
镁铝尖晶石(MgAl2O4)属立方晶系，面心立方点阵。化学计量组成为(重量比)氧化镁28.3％，氧化铝71.7％，性能优良，颜色一般为无色、淡红、淡绿、天蓝，在室温下尖晶石不受浓无机酸、氢氟酸、磷酸、苛性碱和碳酸碱溶液的腐蚀，高温下耐矿渣、熔融金属、盐类以及碳的作用，并具有很高的耐火度和高温强度。
MgAl2O4尖晶石以其良好的耐蚀、耐磨性及化学稳定性，良好的绝缘性、较小的热膨胀系数和较高的硬度，广泛用作电子元器件的绝缘骨架，合金、金属制品的陶瓷保护膜，远红外波段窗口材料，耐高温材料及精细陶瓷器皿，还是优秀的短波长(蓝绿紫波段)激光基质晶体材料。真空热压的透明MgAl2O4具有特别优异的光学、介电、物理和机械性能，制造成本适中，其透过波段从紫外、红外到毫米波，能够适合导弹制导系统的多种方式制导要求，增大攻击距离，加强光电对抗、自主攻击和抗外界背景干扰的能力。总之，在开发和利用新材料的探索中，镁铝尖晶石材料已经得到了人们的高度重视。
然而文献中很少有关于透明MgAl2O4纤维的报道。
透明MgAl2O4纤维不仅可望用于上述应用领域，而且还以其形状尺寸方面的优势，使用于集成电路及微电子器件方面，如可以用作场电子发射绝缘子材料；精密光学器件方面，如短波长(蓝绿紫波段)激光基质晶体材料；高温绝热材料，如绝热毡等，因具有更好的耐高温性(使用温度可达1700～2000℃)，高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高，是当今国内外最新型的超轻质高温耐热纤维，预计作为耐高温材料在航天工业上可得到重要应用，如制造航天飞机隔热瓦和柔性隔热材料；高级复合材料增强材料，如广泛应用于冶金、机械、电子、陶瓷、化工、航天等高温工业窑炉及其他热工设备的内衬，以达到节能增产，延长炉体寿命，改善工作环境之目的。也可用于环保和再循环技术领域，如焚烧电子废料的设备，汽车废气设备上陶瓷整体衬，可用于铝合金活塞，使活塞和汽缸之间吻合好，节省燃料。该纤维增强的金属基、陶瓷基复合材料，可望用于超音速飞机，也可制造液体火箭发动机的喷管和垫圈，可用于制作汽车活塞槽部件，还可用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及由于轻量化而要求的高功能构件，如汽车连杆、传动轴、刹车等零件及直升飞机的传动装置等。树脂基复合材料有望在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维，特别是在文体用品方面，可制成多种颜色的高强度钓鱼杆、高尔夫球、滑雪板网球拍等。
镁铝尖晶石材料只有通过人工合成的方法得到。
申请号为200310117744.3的专利申请，提供了一种制备镁铝尖晶石纳米粉体的方法，用共沉淀法制备镁铝尖晶石纳米粉体，包括沉淀、抽滤、干燥、煅烧过程，其特征在于(1)配制硝酸镁和硝酸铝水溶液，镁和铝离子的浓度为0.5-0.005mol/L，将这两种水溶液按镁离子和铝离子摩尔比为1∶2的比例混合；(2)采用浓度为0.5-0.005mol/L的碳酸氢铵水溶液为沉淀剂；(3)添加硫酸铵作为助剂，添加量为镁离子摩尔量的0-20％。
申请号为92112736.7的发明专利，提供了一种以特级生矾土和轻烧菱镁石为原料，经混合细磨、成型、煅烧合成镁铝尖晶石的方法，其特征是可以用菱镁石代替轻烧菱镁石作为合成镁铝尖晶石的原料。两种原料以Al2O3与MgO重量比为2.5-4.0配料，煅烧温度为1500-1630℃，从而制成块状或粒状镁铝尖晶石。
但包括上述方法在内的现有制备MgAl2O4的方法都不能制备出纤维状透明MgAl2O4。
发明内容
本发明的目的是提供一种MgAl2O4透明纤维，同时提供制备该MgAl2O4透明纤维的方法。
本发明技术方案如下。
一种透明MgAl2O4纤维，具有以下特性晶相组成为MgAl2O4，晶体构造为Fd3m型，晶格常数为0.806-0.808nm，纤维直径在5-1000μm可调，长度在12cm以下可调，折射率为1.718-1.719。
制备上述透明MgAl2O4纤维的方法为采用氧化铝粉、氧化镁粉、金属铝粉和金属镁粉等为基质材料，其主要成分为氧化铝粉中Al2O390-99.8％，金属铝粉中Al 90-99.8％，氧化镁粉中MgO90-99.8％，金属镁粉中Mg 90-99.8％，粒度均为0.01-100μm；将上述各种原料按照氧化铝粉50-80％、金属铝粉0-30％、氧化镁粉10-20％、金属镁粉0-20％的质量百分比进行配比，在球磨机中混合均匀后，放入氮气氛炉(流动氮气气氛)中烧成，烧成温度1200-1500℃，保温1-16h；保温结束后待炉温降至500℃以下停止通氮气；继续降至室温后，收集纤维，即制得透明MgAl2O4纤维，进行质量检查。
上述制备方法中，氧化铝粉为活性氧化铝粉、板状刚玉、灰刚玉、红刚玉、矾土刚玉、烧结氧化铝、烧结高铝矾土中的一种，其中活性氧化铝粉为轻烧氢氧化铝、轻烧高铝矾土或轻烧薄姆石分解得到的活性氧化铝粉；氧化镁为含氧化镁的化学药品分解形成的活性氧化镁，或MgO的含量为90-99.9％的轻烧镁砂、电熔镁砂、烧结镁砂，或MgO的含量为25-28％的镁铝尖晶石，其中活性氧化镁为碱式碳酸镁分解形成的活性氧化镁粉。
经检验，所制备的透明MgAl2O4纤维微观结构均匀，其性能指标如表1所示。
表1 MgAl2O4纤维的基本性能指标
与现有技术相比，本发明的优点在于1.本发明技术方案工艺简单，烧成温度较低，降低了成本，易于实现工业化生产。
2.制备出的透明MgAl2O4纤维微观结构均匀，纤维直径在2-1000μm可调，长度在微米级至12cm可调，有利于提高材料在绝缘微器件、光学微器件、高性能绝热保温材料及高性能复合材料增强体等方面的使用价值。
3.透明MgAl2O4纤维介电性、透光性、强度、韧性、热震稳定性和抗腐蚀性能优良，使用寿命延长，有利于开发和应用。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不局限于下列实施例。
实施例1采用轻烧氢氧化铝分解得到的活性氧化铝粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为99％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、轻烧镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做基质；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1500℃×8h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃时停止通氮气；收集纤维，得到透明MgAl2O4纤维。
进行质量检查，检测产物的各项性能指标，结果为直径696μm，长度12cm，晶相组成为MgAl2O4相，其它各项性能指标如表2所示。
表2 产物的其它性能指标
实施例2采用轻烧高铝矾土获得的活性氧化铝粉72.5％(粒度0.01-100μm，Al2O3为92％)、金属铝粉15％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、碱式碳酸镁分解形成的活性氧化镁粉(MgO含量99％，粒度0.01-100μm)12.5％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1300℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃时停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径16μm，长度1.0cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例3采用轻烧薄姆石得到的活性氧化铝粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为99％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、轻烧镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做基质；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1500℃×8h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃时停止通氮气；收集纤维，得到透明MgAl2O4纤维。进行质量检查，检测纤维的各项性能指标，结果为直径532μm，长度9cm，晶相组成为MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例4采用烧结氧化铝粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为98％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、烧结镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做基质；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1200℃×16h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃时停止通氮气；收集纤维，得到透明MgAl2O4纤维。进行质量检查，检测纤维的各项性能指标，结果为直径69μm，长度1.2cm，晶相组成为MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例5采用烧结高铝矾土粉72.5％(粒度0.01-100μm，Al2O3为92％)、金属铝粉15％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、烧结镁砂粉(MgO含量96％，粒度0.01-100μm)12.5％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1450℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下方可停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径85μm，长度0.8cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例6采用板状刚玉粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为98％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、电熔镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1300℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下时停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径5μm，长度0.8cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例7采用轻烧薄姆石得到的活性氧化铝粉73％(Al2O3含量98％，粒度0.01-100μm)、轻烧镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％、金属镁粉15％(Mg 90-99.8％，粒度0.01-100μm)的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1550℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下时停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径12μm，长度0.3cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例8采用灰刚玉粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为98％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、镁铝尖晶石粉(MgO含量28％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1300℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下方可停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径5μm，长度0.7cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例9采用红刚玉粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为98％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、电熔镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1300℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下时停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径15μm，长度0.9cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能指标同表2。
实施例10采用矾土刚玉粉58％(粒度0.01-100μm，Al2O3为98％)、金属铝粉30％(Al含量98％，粒度0.01-100μm)、电熔镁砂粉(MgO含量98％，粒度0.01-100μm)12％的混合料做原料；各种原料按比例称量后，在混料机中混合15分钟至均匀；放入氮气氛炉中在1300℃×1h条件下烧成；保温结束后待炉温降至500℃以下时停止通氮气；收集纤维，最后进行质量检查，检测纤维的各项性能指标直径7μm，长度1.2cm，晶相组成MgAl2O4相，其它性能同表2。
权利要求
1.一种透明MgAl2O4纤维，其特征在于晶相组成为MgAl2O4，晶体构造为正尖晶石型，晶格常数为0.806-0.808nm，纤维直径为5-1000μm，长度≤12cm，折射率为1.718-1.719。
2.制备权利要求1所述透明MgAl2O4纤维的方法，其特征在于以氧化铝粉、金属铝粉、氧化镁粉和金属镁粉为基质原料，按照氧化铝粉50-80％、金属铝粉0-30％、氧化镁粉10-20％、金属镁粉0-20％的质量百分比进行配比，放入球磨机中混合均匀；将上述混合料放入氮气气氛炉中烧成，烧成温度为1200-1550℃，保温1-16h，炉温降至500℃时停止通氮气，收集纤维，即得产物。
3.依照权利要求2所述透明MgAl2O4纤维的制备方法，其特征在于氧化铝粉为活性氧化铝粉、板状刚玉、灰刚玉、红刚玉、矾土刚玉、烧结氧化铝、烧结高铝矾土中的一种，Al2O3的含量为90-99.9％，粒度为0.01-100μm。
4.依照权利要求3所述透明MgAl2O4纤维的制备方法，其特征在于活性氧化铝粉为轻烧氢氧化铝、轻烧高铝矾土或轻烧薄姆石分解得到的活性氧化铝粉。
5.依照权利要求2所述透明MgAl2O4纤维的制备方法，其特征在于金属铝粉的Al含量为90-99.9％，粒度0.01-100μm。
6.依照权利要求2所述透明MgAl2O4纤维的制备方法，其特征在于氧化镁为含氧化镁的化学药品分解形成的活性氧化镁，或MgO的含量为90-99.9％的轻烧镁砂、电熔镁砂、烧结镁砂，或MgO的含量为25-28％的镁铝尖晶石。
7.依照权利要求6所述透明MgAl2O4纤维的制备方法，其特征在于活性氧化镁为碱式碳酸镁分解形成的活性氧化镁粉。
全文摘要
本发明涉及提供了一种MgAl
文档编号C04B35/622GK1919762SQ20061010707
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月20日 优先权日2006年9月20日
发明者杨道媛, 张锐, 苗晋琦, 胡金明, 卢红霞, 许红亮 申请人:郑州大学