一种纳米陶瓷结合剂及其应用

摘要

本发明提供了一种纳米陶瓷结合剂，属于纳米复合材料技术领域。该纳米陶瓷结合剂由以下质量分数的原料制备而成：CaO 3～8％，R2O 8～20％，Al2O315～20％，SiO245～60％，B2O315～25％，其中CaO、Al2O3、SiO2和B2O3中的至少一种由常规颗粒和纳米级粉末混合而成，其中R2O代表Na2O和/或K2O。本发明在传统陶瓷结合剂原料的基础上，通过调整至少一种原料内常规颗粒和纳米级粉末的比例，控制纳米级粉末重量占比为0.2～8％，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。

权利要求

1.一种纳米陶瓷结合剂，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：CaO 3～8％，R2O 8～20％，Al2O315～20％，SiO245～60％，B2O315～25％，其中CaO、Al2O3、SiO2和B2O3均由常规颗粒和纳米级粉末混合而成，且每种原料中纳米级粉末的质量占比为0.2～8％，其中R2O代表Na2O和/或K2O。

2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷结合剂，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％。

3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷结合剂，其特征在于，所述纳米级粉末为纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米带中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的纳米陶瓷结合剂，其特征在于，所述纳米颗粒的粒径为15～

100nm。

5.根据权利要求1所述的纳米陶瓷结合剂，其特征在于，在普通陶瓷磨具制备中的应用。

6.根据权利要求1所述的纳米陶瓷结合剂，其特征在于，在超硬磨具制备中的应用。

说明书

一种纳米陶瓷结合剂及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于纳米复合材料技术领域，特别是涉及一种纳米陶瓷结合剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 高速、高效和高精是现代磨削加工的基本要求。陶瓷结合剂超硬磨具是用陶瓷结合剂(玻璃相)作为桥相将超硬磨料结合起来的一类磨具，它结合了超硬磨料与陶瓷的优点，具有硬度高、耐热性好、形状保持性好、气孔率大、易排屑、不易烧伤工件、容易修整、磨削过程中自锐性好,使用寿命长等一系列优点，近些年来日益成为现代磨削加工所需磨具产品研究开发的热点。其中，开发高性能的陶瓷结合剂是重点。

[0003] 现有陶瓷结合剂除了普遍存在强度较低、烧结温度较高和自身脆性等不足外，还存在着制备方法麻烦、配方优化手段不够科学，根据具体磨料和磨削对象进行性能调整的规律不够明晰等突出问题。

发明内容

[0004] 本发明在传统陶瓷结合剂的基础上通过不改变配方的物质组成，通过调整至少一种原料内常规颗粒和纳米级粉末的比例，从而实现高性能纳米陶瓷结合剂的可控制备。

[0005] 具体的，本发明提供的纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：

[0006] CaO 3～8％，R2O 8～20％，Al2O315～20％，SiO245～60％，B2O315～25％，其中CaO、Al2O3、SiO2和B2O3中的至少一种由常规颗粒和纳米级粉末混合而成，且每种原料中纳米级粉末的质量占比为0.2～8％，其中R2O代表Na2O和/或K2O。

[0007] 优选地，CaO、Al2O3、SiO2和B2O3均由常规颗粒和纳米级粉末混合而成。

[0008] 优选地，由以下质量分数的原料制备而成：

[0009] CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％。

[0010] 更优选地，所述纳米级粉末为纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米带中的任意一种。

[0011] 更优选地，所述纳米颗粒的粒径为15～100nm。

[0012] 优选地，本发明提供的纳米陶瓷结合剂，在普通陶瓷磨具制备中的应用。

[0013] 优选地，本发明提供的纳米陶瓷结合剂，在超硬磨具制备中的应用。

[0014] 本发明的技术方案具有如下有益效果：

[0015] (1)本发明在传统陶瓷结合剂原料的基础上，通过调整至少一种原料内常规颗粒和纳米级粉末的比例，控制纳米级粉末重量占比为0.2～8％，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；

[0016] (2)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

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 本发明一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：

[0020] CaO 3～8％，R2O 8～20％，Al2O315～20％，SiO245～60％，B2O315～25％，其中CaO、Al2O3、SiO2和B2O3中的至少一种由常规颗粒和纳米级粉末混合而成，且每种原料中纳米级粉末的质量占比为0.2～8％，其中R2O代表Na2O和/或K2O。

[0021] 需要说明的是，CaO、Al2O3、SiO2和B2O3这四种原料，可以一种是由常规颗粒和纳米级粉末混合而成，也可以是两种及两种以上都包含相应的纳米级粉末，考虑到结合强度，限定每种原料中纳米级粉末的质量占比为0.2～8％，以2～6％为最佳。

[0022] 需要进一步说明的是，上述纳米级粉末为纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米带中的任意一种，尺寸为15～100nm，这里所指的尺寸为粒径或长度。

[0023] 下面就本发明的技术方案进行具体的举例说明。

[0024] 对比例1

[0025] 一种CaO-Na2O+K2O-Al2O3-SiO2-B2O3陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中每一种原料均为化学纯，粒度200目。

[0026] 具体制备方法为：按上述配方称量100g陶瓷结合剂所需的各原料的量，分别称取6g CaO，6gNa2O，7gK2O，16gAl2O3，48g SiO2和17g B2O3，充分混合后倒入装有50ml无水乙醇的研磨罐中进行球磨，球磨8h后，进行干燥并过600目筛，即得到所述陶瓷结合剂。

[0027] 将对比例1制得的陶瓷结合剂模压成型，对模压成型后的陶瓷结合剂的性能进行测试，发现耐火度约870℃，抗折强度48MPa，热膨胀系数约7.3×10-6m/℃。

[0028] 实施例1

[0029] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成，SiO2由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成，B2O3由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成。

[0030] 需要说明的是，上述纳米颗粒的粒径在15～100nm之间。

[0031] 具体制备方法为：按上述配方称量100g陶瓷结合剂所需的各原料的量，充分混合后倒入装有50ml无水乙醇的研磨罐中进行球磨，球磨8h后，进行干燥并过600目筛，即得到所述纳米陶瓷结合剂。

[0032] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约690℃，抗折强度95MPa，热膨胀系数约4.1×10-6m/℃。

[0033] 实施例2

[0034] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成，Al2O3由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成，SiO2由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成，B2O3由4％的纳米颗粒和96％的常规颗粒组成。

[0035] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0036] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约675℃，抗折强度-6101MPa，热膨胀系数约3.8×10 m/℃。

[0037] 实施例3

[0038] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成。

[0039] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0040] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约715℃，抗折强度-690MPa，热膨胀系数约4.5×10 m/℃。

[0041] 由此可见，实施例1～实施例3制得的纳米陶瓷结合剂的耐火度均有所降低，强度有所提高，热膨胀系数有所降低。

[0042] 实施例4

[0043] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成。

[0044] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0045] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约670℃，抗折强度93MPa，热膨胀系数约4.6×10-6m/℃。

[0046] 实施例5

[0047] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由5％的纳米颗粒和95％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成。

[0048] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0049] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约685℃，抗折强度103MPa，热膨胀系数约3.9×10-6m/℃。

[0050] 实施例6

[0051] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由5％的纳米颗粒和95％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由5％的纳米颗粒和95％的常规颗粒组成。

[0052] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0053] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约690℃，抗折强度97MPa，热膨胀系数约3.5×10-6m/℃。

[0054] 实施例7

[0055] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由5％的纳米颗粒和95％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成。

[0056] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0057] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约703℃，抗折强度102MPa，热膨胀系数约3.7×10-6m/℃。

[0058] 实施例8

[0059] 一种纳米陶瓷结合剂，由以下质量分数的原料制备而成：CaO 6％，Na2O 6％，K2O 7％，Al2O316％，SiO248％，B2O317％，其中，CaO由2％的纳米颗粒和98％的常规颗粒组成，Al2O3由5％的纳米颗粒和95％的常规颗粒组成，SiO2由8％的纳米颗粒和92％的常规颗粒组成，B2O3由8％的纳米颗粒和88％的常规颗粒组成。

[0060] 具体制备方法和实施例1相同，这里就不做具体的阐述。

[0061] 对上述制得的纳米陶瓷结合剂的性能进行测试，经测量耐火度约665℃，抗折强度105MPa，热膨胀系数约3.7×10-6m/℃。

[0062] 在这里，需要说明的是，纳米陶瓷结合剂原料组分CaO，Al2O3，SiO2和B2O3中，相应组分的纳米级粉末的比例控制在0.2～8％范围内，不仅很好的满足了强度要求，还可以对陶瓷结合剂的耐火度、强度和热膨胀系数都有很大的改善。当然，其中一个组分单独采用常规颗粒和纳米级粉末混合的方案，也是能够改善纳米陶瓷结合剂的性能，但是以上述四种原料组分均包含纳米级粉末的方案为优选。实施例1～实施例8所制备的纳米陶瓷结合剂能够很好的应用于普通陶瓷磨具和超硬磨具产品的开发中。

[0063] 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。