一种采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法

摘要

本发明公开了一种采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法,属于无机非金属材料领域。该方法采用α‑SiO2为原料，材料制备过程包括原料预处理及预压成型、高温超高压烧结、样品处理及性能检测等步骤。其特点是在700‑2000℃，6‑35 GPa的高温超高压条件下，不添加任何烧结助剂或矿化剂，使α‑SiO2直接转化成纳米多晶斯石英。利用本发明制备纳米多晶斯石英材料时具有相变速度快、压力和温度条件容易控制等优点，所制备出的纳米多晶斯石英物相单一、纯度高、硬度高、韧性高，具有良好的力学性能。

权利要求

1.一种采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法，其特征在于:该方法包括以下步骤：a、原料的选择：a-SiO2为原料，晶粒尺寸5nm-500 μm；

b、原料处理：将纯度高于80%、晶粒尺寸为5nm -500 μm 的a-SiO2原料用无水乙醇处理，倒出废液，处理后的原料放入烘箱内120℃ 烘干；烘干后的原料加去离子水作为粘结剂，预压成型；把成型样品放入真空干燥烘箱中真空干燥；

c、烧结单元装配：将预压成型的原料用金属包裹体进行包裹，防止样品在高温高压下被污染；将带有金属包裹体的原料装入高压合成装置中进行组装，将组装好的烧结单元放入干燥箱中在120℃恒温条件下干燥，备用；

d、合成组装块的组装：将预压好的带有金属包裹体的原料放入绝缘管中，装入高压合成装置的样品腔，将组装好的合成组装块放入烘箱中备用，120℃恒温干燥；

e、高温高压烧结：利用压机进行高温高压烧结，烧结压力为6-35GPa,压力达到设定压力后，加热升温，在烧结温度为700-2000℃的条件下，保温时间为10秒-50分钟；待保温结束后，停止加热，然后缓慢开始降压；

f、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除块体材料外面的包裹体，对内部样品进行打磨、抛光，得到斯石英多晶体；

g、样品性能检测：利用XRD检测样品物相，SEM检测样品微观形貌和晶粒大小。

2.根据权利要求1所述的采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法，其特征在于: 所述a-SiO2原料的晶型和晶粒尺寸利用XRD、激光粒度检测、测定。

3.根据权利要求1所述的采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法，其特征在于:步骤c中所述金属包裹体在包裹之前进行打磨和抛光处理，然后进行去油、超声波清洗、红外烘干。

4.根据权利要求1所述的采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法，其特征在于:步骤d中合成组装块以石墨管为加热器件,氧化镁和叶蜡石为传压介质。

说明书

一种采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法，特别是利用α-SiO2为原料制备纳米多晶斯石英。属于无机非金属材料领域。技术背景

[0002] 二氧化硅是地球中含量非常多的物质,二氧化硅及其高压相(柯石英、斯石英、CaCl2结构超斯石英、a-PbO2结构超斯石英等)也备受地球物理、高压及材料等学科研究者们的关注。柯石英是二氧化硅的第一个高压相，长期以来，人本把柯石英当作认识地球的 “窗口”，地表柯石英的发现，也被作为解释板块折返学说的有力证据。斯石英是二氧化硅的另一个高压相，在约9 GPa的压力条件下才能稳定存在。

[0003] 纳米多晶斯石英材料，具有良好的力学性能（高硬度、高韧性、高强度）；断裂强度是斯石英单晶的数倍。由于需要极端的超高压条件，合成这种完全致密的纳米多晶块状材料具有挑战性，纳米多晶陶瓷材料的制备多以纳米粉末为初始材料，纳米粉末存在团聚、吸附、难以分散的问题制约了烧结所得多晶材料的力学性能。如何抑制纳米晶粒在高温烧结过程中的长大，使其保持纳米特性与烧结体高致密度，也是纳米多晶材料制备面临的技术难题。

发明内容

[0004] 本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种利用a-SiO2为原料，在高温超高压条件下制备高性能纳米多晶斯石英材料的方法。本发明克服了常用的以纳米初始粉末材料制备纳米多晶时初始粉末存在的团聚、吸附以及难以分散等问题。公开了一种利用高压相变的方法，通过对原料预处理及成型，在高温超高压条件下制备高性能纳米多晶斯石英的方法，提高了纳米多晶斯石英的性能。

[0005] 本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

[0006] 本发明的采用高压相变法制备纳米多晶斯石英的方法包括以下步骤：

[0007] a、原料的选择：a-SiO2为原料，晶粒尺寸5nm-500 μm；

[0008] b、原料处理：将纯度高于80%、晶粒尺寸为5nm -500 μm 的a-SiO2原料用无水乙醇处理，倒出废液，处理后的原料放入烘箱内120℃ 烘干；烘干后的原料加去离子水作为粘结剂，预压成型；把成型样品放入真空干燥烘箱中真空干燥；

[0009] c、烧结单元装配：将预压成型的原料用金属包裹体进行包裹，防止样品在高温高压下被污染；将带有金属包裹体的原料装入高压合成装置中进行组装，将组装好的烧结单元放入干燥箱中在120℃恒温条件下干燥，备用；

[0010] d、合成组装块的组装：将预压好的带有金属包裹体的原料放入绝缘管中，装入高压合成装置的样品腔，将组装好的合成组装块放入烘箱中备用，120℃ 恒温干燥；

[0011] e、高温高压烧结：利用压机进行高温高压烧结，烧结压力为6-35GPa,压力达到设定压力后，加热升温，在烧结温度为700-2000℃的条件下，保温时间为10秒-50分钟；待保温结束后，停止加热，然后缓慢开始降压；

[0012] f、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除块体材料外面的包裹体，对内部样品进行打磨、抛光，得到斯石英多晶体；

[0013] g、样品性能检测：利用XRD检测样品物相，SEM检测样品微观形貌和晶粒大小。

[0014] 本发明中所述a-SiO2原料的晶型和晶粒尺寸利用XRD、激光粒度检测、测定。

[0015] 本发明步骤c中所述金属包裹体在包裹之前进行过打磨和抛光处理，然后进行去油、超声波清洗、红外烘干。

[0016] 本发明步骤d中合成组装块以石墨管为加热器件,氧化镁和叶蜡石为传压介质。

[0017] 本发明的有益效果如下：

[0018] 1、本发明制备的纳米多晶斯石英材料，采用纯相的 a-SiO2为原料，在高温高压条件下烧结而成。样品中不含其它杂质，纯度高、物相单一。

[0019] 2、本发明制备的纳米多晶斯石英材料，可以采用微米晶 a-SiO2粉末为原料，在高温高压条件下利用相变法制备而得到。这种方法避免了以纳米晶粉末为初始材料，存在的团聚、吸附、难以分散的问题；避免了因原料问题制约烧结所得多晶材料的力学性能。

[0020] 3、本发明制备的纳米多晶斯石英材料，利用高温超高压相变法制备而得到。利用超高压使原料破碎成均匀的晶粒，超高压条件可以抑制高温驱使的晶粒长大问题。这种方法成功地解决了纳米晶粒在高温烧结过程中的长大。

[0021] 4、本发明制备的纳米多晶斯石英材料，能够保持纳米特性与烧结体高致密度。

[0022] 5、本发明制备的纳米多晶斯石英材料，具有良好的力学性能，如高硬度、高韧性等。

[0023] 6、本发明利用高温超高压相变法制备纳米多晶斯石英材料。具有相变速度快，压力和温度条件容易控制等优点。

附图说明

[0024] 图1是加压装置的组装示意图。

[0025] 图中序号：1是钛片，2是金属环，3是石墨管，4是传压介质，,5是叶蜡石，6是绝缘管，7是样品。

具体实施方式

[0026] 本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：

[0027] 实施例1：

[0028] a、原料的选择：a-SiO2为原料，晶粒平均尺寸10μm，纯度为99%。

[0029] b、原料处理：将纯度99%、晶粒平均尺寸10μm的a-SiO2原料用无水乙醇处理，倒出废液，处理后的原料放入烘箱内120℃烘干；烘干后的a-SiO2粉料加适量去离子水作为粘结剂，以1.8g/cm3的成型密度预压成型；把成型样品放入真空干燥烘箱中真空干燥。

[0030] c、原料检测：对原料a-SiO2做XRD、激光粒度检测，检测晶粒平均尺寸10μm， a-SiO2。

[0031] d、烧结单元装配：

[0032] 预压成型的原料用金属包裹体进行包裹，防止样品在高温高压下被污染。

[0033] 包裹之前首先对金属包裹体进行处理，打磨和抛光包裹的金属材料，然后进行去油、超声波清洗、红外烘干，备用。

[0034] 把预压成型的微晶a-SiO2原料放入处理过的金属杯中，二次预压密封，放入干燥箱中备用，120℃恒温干燥。

[0035] 合成组装块的组装：将预压好的金属杯包裹的原料放入绝缘管中，装入高压合成装置的样品腔，合成组装块以石墨管为加热器件,氧化镁和叶蜡石为传压介质，将组装好的合成组装块放入烘箱中备用，120℃恒温干燥。

[0036] e、高温高压烧结：利用压机进行高温高压烧结，烧结压力为12 GPa,压力达到设定压力后，加热启动，迅速升温，保压的同时进行加温，烧结温度为1300℃，保温时间为15分钟。待保温结束后，停止加热，然后缓慢开始降压。

[0037] f、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除块体材料外面的包裹体，对内部样品进行打磨、抛光，得到斯石英多晶体。

[0038] g、样品性能检测：经过XRD衍射图谱分析，样品只含有斯石英单一相，SEM检测样品的平均晶粒大小为纳米颗粒，且样品微观结构比较均匀。硬度和韧性测试表明样品具有高硬度和高韧性。

[0039] 实施例2：

[0040] a、原料的选择：a-SiO2为原料，晶粒平均尺寸0.5μm，纯度为99.5%；

[0041] b、原料处理：将纯度为99.5%、晶粒平均尺寸0.5μm的a-SiO2原料用无水乙醇处理，倒出废液，处理后的原料放入烘箱内120℃烘干；烘干后的a-SiO2粉料加适量去离子水作为粘结剂，以1.7g/cm3的成型密度预压成型；把成型样品放入真空干燥烘箱中真空干燥；

[0042] c、原料检测：对原料a-SiO2做XRD、激光粒度检测，检测晶粒平均尺寸0.5 μm， a-SiO2。

[0043] 本实施例的步骤d与实施例1相同，不再重复。

[0044] e、高温高压烧结：利用压机进行高温高压烧结，烧结压力为10 GPa,压力达到设定压力后，加热启动，迅速升温，保压的同时进行加温，烧结温度为1100℃，保温时间为30分钟。待保温结束后，停止加热，然后缓慢开始降压。

[0045] 本实施例的步骤f、g与实施例1相同，不再重复。