本发明属于纳米复合材料和机械加工领域，特别是涉及一种新型纳米陶瓷结合剂及其制备方法和应用。
背景技术：
随着现代精密加工工业的发展，对加工工具要求越来越高，陶瓷磨具的重要性也日益显现，但是陶瓷磨具在高端精密磨削方面还存在些问题，现有的普通陶瓷结合剂具有强度低，烧结温度高及自身脆性等不足，不能满足陶瓷磨具加工强度要求，这就需要我们进一步改善陶瓷结合剂。因此，有必要探索一种烧结温度低，强度高的陶瓷结合剂，可以很好地满足陶瓷磨具在精密加工方面的需求。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型纳米陶瓷结合剂的制备方法，包括如下步骤：
S1：制备钛酸盐一维纳米材料；
S2：提供Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末；
S3：将S1制备的钛酸盐一维纳米材料按0.2～5wt％的添加量添加到基础陶瓷结合剂粉末中，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
优选地，制备所述钛酸盐一维纳米材料所用的原料为二氧化钛、金属钛、钛合金或钛盐。
更优选地，所述钛酸盐一维纳米材料为钛酸钠纳米线、钛酸钾纳米线、钛酸钠纳米纤维、钛酸钾纳米纤维、钛酸钠纳米带、钛酸钾纳米带中的任意一种。
更优选地，S1的具体步骤为：配制10mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，备用；
称取二氧化钛粉末，按照固液比1g：20～40ml的比例，将二氧化钛粉末加入到氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，充分溶解，得到混合溶液；
将所述混合溶液加入到水热反应釜中，在140～160℃下保温8～10h，随后自然冷却至室温，经洗涤、离心、干燥后，在420～450℃下煅烧1～2h，得到钛酸钠纳米线或钛酸钾纳米线。
更优选地，S1的具体步骤为：配制10mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，备用；
称取钛片，按照固液比1g：15～25ml的比例，将钛片和氢氧化钠或氢氧化钾溶液依次加入水热反应釜中；在140～160℃下保温8～12h，随后自然冷却至室温，取出钛片并经洗涤、离心、干燥后，在420～450℃下煅烧1～2h，得到钛酸钠纳米带或钛酸钾纳米带。
更优选地，S1的具体步骤为：按照体积比1：3～5的比例分别量取钛酸丁酯和乙醇，并配制10mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，备用；
将钛酸丁酯缓慢加入到乙醇中，再加入与钛酸丁酯等体积的10mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，充分混合后，静置2h形成溶胶，将所述溶胶加入到水热反应釜中，180～200℃保温12h，随后自然冷却至室温，反应产物经洗涤、离心、干燥后，在440～460℃下煅烧1～2h，得到钛酸钠纳米纤维或钛酸钾纳米纤维。
优选地，S1中，所述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末的制备过程为；
按照质量比8:5:72:15的比例，分别称取碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸，备用；
将所述碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸混合后，球磨至200～400目，压制成块体，将所述块体用玻璃熔炼炉在1200～1300℃进行熔融，加热时间为0.5～2h，然后将熔体进行水淬，产物经干燥、球磨，粉碎粒度小于200目，得到所述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末。
优选地，S3中，向所述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末中，按照1～3％的添加量加入所述酸盐一维纳米材料，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
本发明还提供了一种纳米陶瓷结合剂，由上述任一所述的方法制备获得。
优选地，本发明提供的纳米陶瓷结合剂，在普通陶瓷磨具或超硬磨具制备中的应用。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)由于现有的普通陶瓷结合剂具有强度低，烧结温度高及自身脆性等不足，本发明通过添加一种钛酸盐一维纳米材料而制备的纳米陶瓷结合剂克服了普通陶瓷结合剂的不足，不仅大大降低了结合剂的烧结温度，节省了能源，还显著提高了陶瓷结合剂的强度，可以很好地应用于陶瓷磨具中。
(2)本发明制得的纳米陶瓷结合剂烧结温度低，强度高，可以很好地满足陶瓷磨具在精密加工方面的需求，且制得的纳米陶瓷结合剂对磨料的浸润好，很大程度上提高了对超硬磨料的把持力，磨削效果显著提高。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明一种新型纳米陶瓷结合剂，具体由以下步骤制备而成：
S1：制备钛酸盐一维纳米材料；
S2：提供Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末；
S3：将S1制备的钛酸盐一维纳米材料按0.2～5wt％的添加量添加到基础陶瓷结合剂粉末中，充分混合分散均匀，即得所述纳米陶瓷结合剂。
在这里需要说明的是，制备上述钛酸盐一维纳米材料所用的原料为二氧化钛、金属钛、钛合金或钛盐。而制得的上述钛酸盐一维纳米材料为钛酸钠纳米线、钛酸钾纳米线、钛酸钠纳米纤维、钛酸钾纳米纤维、钛酸钠纳米带、钛酸钾纳米带中的任意一种。
下面就本发明的技术方案进行具体的举例说明。
实施例1
一种新型纳米陶瓷结合剂，其制备过程具体如下：
首先配制10mol/L的氢氧化钠溶液，取氢氧化钠溶液45mL，置于塑料烧杯中，磁力搅拌，使溶液充分均匀；然后称取二氧化钛粉末1.5g，溶于上述氢氧化钠水溶液中，充分搅拌，直到成为均匀的乳白色混合溶液。将混合溶液加入到反应釜中，150℃保温10h后自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，然后再经离心、去离子水和无水乙醇洗涤、离心，干燥，并在马弗炉中450℃下煅烧2h，即可得到钛酸钠纳米线。
按照质量比8:5:72:15的比例，分别称取原料碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸，将四种原料混合后，球磨至300目，压制成块体，将块体用玻璃熔炼炉在1300℃进行熔融，加热时间为1h，然后将熔体进行水淬，产物经干燥、球磨、粉碎粒度小于200目，得到Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末。向上述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末中，按照3％的添加量加入上述钛酸钠纳米线，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
对实施例1制得的纳米陶瓷结合剂进行性能测试，结果表明，抗折强度达到最大98MPa，耐火度为700℃，与不添加相比抗折强度提高50％，烧结温度降低135℃。
实施例2
一种新型纳米陶瓷结合剂，其制备过程具体如下：
首先配制10mol/L的氢氧化钠溶液，取氢氧化钠溶液45mL，置于塑料烧杯中，磁力搅拌，使溶液充分均匀；然后称取钛片2.5g放到水热反应釜中，再将氢氧化钠溶液加入水热反应釜中，在150℃下保温12h，随后自然冷却至室温，取出钛片用去离子水冲洗，然后再经离心、去离子水和无水乙醇洗涤、离心、干燥后，并在马弗炉中450℃下煅烧2h，即可得到钛酸钠纳米带。
按照质量比8:5:72:15的比例，分别称取原料碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸，将四种原料混合后，球磨至300目，压制成块体，将块体用玻璃熔炼炉在1300℃进行加热，加热时间为1h，将加热后的产物干燥、球磨、粉碎至200目，得到Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末。
向上述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末中，按照3％的添加量加入上述钛酸钠纳米带，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
对实施例2制得的纳米陶瓷结合剂进行性能测试，结果表明，抗折强度达到最大95MPa，耐火度为710℃。
实施例3
一种新型纳米陶瓷结合剂，其制备过程具体如下：
量取45mL乙醇，倒入100mL烧杯中，放在磁力搅拌器上剧烈搅拌，缓慢加入15mL钛酸丁酯，待溶液稳定后再继续在强烈搅拌下逐滴加入15mL10mol/L的氢氧化钾水溶液，继续平稳搅拌20min，然后静置2h未出现异常，将溶胶加入到水热反应釜中，180℃保温12h后自然冷却至室温，然后分别用去离子水和无水乙醇充分洗涤，离心，干燥，并在马弗炉中450℃下煅烧2h即可得到钛酸钾纳米纤维。
按照质量比8:5:72:15的比例，分别称取原料碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸，将四种原料混合后，球磨至300目，压制成块体，将块体用玻璃熔炼炉在1250℃进行加热，加热时间为1h，将加热后的产物干燥、球磨、粉碎至200目，得到Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末。
向上述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末中，按照1％的添加量加入上述钛酸钾纳米纤维，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
对实施例3制得的纳米陶瓷结合剂进行性能测试，结果表明，抗折强度达到最大101MPa，耐火度为705℃，与不添加相比抗折强度提高55％，烧结温度降低130℃。
实施例4
一种新型纳米陶瓷结合剂，其制备过程具体如下：
首先配制10mol/L的氢氧化钠溶液，取氢氧化钠溶液45mL，置于塑料烧杯中，磁力搅拌，使溶液充分均匀；然后称取二氧化钛粉末2.0g，溶于上述氢氧化钠水溶液中，充分搅拌，直到成为均匀的乳白色混合溶液。将混合溶液加入到反应釜中，150℃保温6h后自然冷却至室温，用去离子水充分洗涤，然后再经离心、去离子水和无水乙醇洗涤、离心，干燥，并在马弗炉中430℃下煅烧1h，即可得到钛酸钠纳米线。
按照质量比8:5:72:15的比例，分别称取原料碳酸钠、氢氧化铝、二氧化硅和硼酸，将四种原料混合后，球磨至400目，压制成块体，将块体用玻璃熔炼炉在1250℃进行加热，加热时间为1h，将加热后的产物干燥、球磨、粉碎至200目，得到Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末。
向上述Na2O-Al2O3-SiO2-B2O3基础陶瓷结合剂粉末中，按照3％的添加量加入上述钛酸钠纳米线，充分混合分散均匀，制得纳米陶瓷结合剂。
对实施例4制得的纳米陶瓷结合剂进行性能测试，结果表明，抗折强度达到最大106MPa，耐火度为685℃，与不添加相比抗折强度提高63％，烧结温度降低150℃。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。