一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种利用天然矿物为原料的刚玉‑碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，所述基料的组成为铝硅酸盐矿物65～90wt％、金属铝粉10～35wt％，所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。此外，还公开了上述利用天然矿物为原料的刚玉‑碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法。本发明采用天然矿物+金属铝粉为原料体系，通过原位合成的方式引入刚玉和碳化硅晶须，有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题，极大地提高了刚玉‑碳化硅复合陶瓷材料的性能。本发明原料易得、工艺简单、烧成温度低、成品率高，对于提高刚玉‑碳化硅复合陶瓷材料的品质、以及节约产品成本具有重要意义，有利于推广应用和行业技术的进步与发展。

权利要求

1.一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，其特征在于：包括基料和结合剂，所述基料的组成为铝硅酸盐矿物65～90 wt%、金属铝粉10～35 wt%，所述结合剂的用量为基料的6～12 wt%；所述铝硅酸盐矿物为高岭土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土中的一种或二种组合；所述结合剂为浓度5 wt%的PVA溶液；所述基料与结合剂混合后，进行压制成型、干燥、埋粉烧结，所述埋粉烧结采用碳源材料，得到刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，其特征在于：所述铝硅酸盐矿物的粒度为180～250目；所述金属铝粉的粒度为180～325目。

3.权利要求1或2所述利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：将所述基料混合后，加入结合剂混合均匀；压制成型、干燥后得到的生坯，进行埋粉烧结，所述埋粉烧结采用碳源材料，烧成后即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述干燥后的生坯其水分含量＜0.5%。

5.根据权利要求3所述的利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述碳源材料为石墨粉、炭粉、碳黑中的一种或二种组合。

6.根据权利要求3所述的利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为1400～1600℃，烧成时间为1～2h。

说明书

一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料

及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 刚玉陶瓷作为一种高纯、细晶的材料，因具有高耐火度、高硬度、高强度和化学惰性等优点，长久以来得到了广泛的应用。然而，刚玉陶瓷由于断裂能较低，使其无法承受由于急冷急热所产生的热应力，因此容易导致断裂，从而制约了其在一些高温结构领域的应用。而碳化硅具有高热导率、高强度和高抗热震性等优点，可以弥补刚玉材料的不足，因此碳化硅结合刚玉材料是综合了二者优点的复相陶瓷材料，在耐火材料、研磨材料等领域具有广泛的应用。

[0003] 目前，现有技术刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备，主要是以工业级碳化硅粉和刚玉粉为原料，即以刚玉粉为骨料，混入碳化硅粉进行改性。这种材料体系普遍存在着原料成本高、混料不匀、性能不均等问题；即便也有研究采用了原位合成晶须的方式引入碳化硅，但铝源和硅源仍旧选用的是工业级原料，不仅产品成本高，而且不易成型，产品成品率低。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，采用天然矿物+金属铝粉为原料体系，以便通过原位合成方式引入刚玉和碳化硅晶须，而获得高性能、低成本的碳化硅结合刚玉材料。本发明的另一目的在于提供上述利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

[0006] 本发明提供的一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，所述基料的组成为铝硅酸盐矿物65～90wt％、金属铝粉10～35wt％，所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。

[0007] 进一步地，本发明所述铝硅酸盐矿物为高岭土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土中的一种或二种组合。

[0008] 进一步地，本发明所述铝硅酸盐矿物的粒度为180～250目；所述金属铝粉的粒度为180～325目。

[0009] 上述方案中，本发明所述结合剂为浓度5wt％的PVA溶液。

[0010] 本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

[0011] 本发明提供的上述利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的制备方法如下：将所述基料混合后，加入结合剂混合均匀；压制成型、干燥后得到的生坯，进行埋粉烧结，所述埋粉烧结采用碳源材料，烧成后即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0012] 进一步地，本发明制备方法所述干燥后的生坯其水分含量＜0.5％。

[0013] 上述方案中，本发明制备方法所述碳源材料为石墨粉、炭粉、碳黑中的一种或二种组合。所述烧结温度为1400～1600℃，烧成时间为1～2h。

[0014] 本发明具有以下有益效果：

[0015] (1)本发明采用天然铝硅酸盐矿物+金属铝粉的原料体系，利用金属铝粉与二氧化硅的反应置换出金属硅；金属铝粉和铝硅酸盐矿物中剩余的氧化铝原位合成得到刚玉。而金属硅在烧成过程中形成液相可促进烧结，并且与保护气氛中的一氧化碳原位反应合成得到碳化硅晶须，该晶须可均匀地分布在刚玉颗粒之间，从而有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题，极大地提高了刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的性能。

[0016] (2)本发明主要使用的是天然矿物，具有良好的塑性，有助于提高成型性能，从而能够显著提高产品的成品率；并且，所用天然矿物具有储量大、分布广、价格低廉等优势，有助于降低产品成本。所用的金属铝粉具有较低的熔点，可在较低的烧成温度形成液相分散在坯体中，不仅有利于材料烧结，同时也有利于解决性能不均的问题。

[0017] (3)本发明原位合成的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，抗热震性能好、烧成收缩低、机械强度高，其主要性能指标如下：天然矿物添加量≥50％、烧成收缩＜2％、热导率＞8W/(m·K)、抗折强度≥70MPa、1100℃～室温抗热震循环30次不开裂、1400℃下保温1h不软化不变形。

[0018] (4)本发明原料易得、工艺简单、烧成温度低，并且对于提高刚玉-碳化硅复合陶瓷材料的品质、以及节约产品成本具有重要意义，因而具有广阔的市场前景，有利于推广应用和行业技术的进步与发展。

附图说明

[0019] 下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

[0020] 图1是本发明实施例所制得的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料的断面显微结构图(扫描电镜二次电子像)。

具体实施方式

[0021] 实施例一：

[0022] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为高岭土(250目)65wt％、金属铝粉(180目)35wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。

[0023] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0024] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋石墨粉、在1450℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0025] 实施例二：

[0026] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为高岭土(250目)40wt％、铝矾土(180目)40wt％、金属铝粉(325目)20wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的6wt％。

[0027] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅复合陶瓷材料如下：

[0028] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋炭粉、在1500℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0029] 实施例三：

[0030] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为高岭土(250目)30wt％、红柱石(180目)40wt％、金属铝粉(325目)30wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。

[0031] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0032] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋石墨粉、在1550℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0033] 实施例四：

[0034] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为蓝晶石(250目)40wt％、硅线石(250目)25wt％、金属铝粉(325目)35wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。

[0035] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0036] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋石墨粉、在1600℃温度下烧成1h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0037] 实施例五：

[0038] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为高岭土(250目)40wt％、蓝晶石(180目)32wt％、金属铝粉(325目)28wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。

[0039] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0040] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋碳黑粉、在1580℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0041] 实施例六：

[0042] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为高岭土(250目)50wt％、硅线石(180目)25wt％、金属铝粉(325目)25wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的7wt％。

[0043] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0044] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋石墨粉、在1400℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0045] 实施例七：

[0046] 1、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为硅线石(250目)60wt％、铝矾土(180目)10wt％、金属铝粉(325目)30wt％，结合剂为浓度5wt％的PVA溶液，其用量为基料的8wt％。

[0047] 2、本实施例一种利用天然矿物为原料的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料如下：

[0048] 将上述基料混合后，加入结合剂混合均匀；经搅拌、困料后，根据产品尺寸选择适当的压力压制成型，在110℃温度下干燥而得到生坯(入窑水分＜0.5％)；然后埋炭粉、在1560℃温度下烧成2h，即制得刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料。

[0049] 如图1所示，本发明实施例制得的刚玉-碳化硅晶须复合陶瓷材料，原位合成的碳化硅晶须均匀地分布在刚玉颗粒之间，能够起到提高热导率、抗折强度和抗热震性能的作用。