一种氧化锆—莫来石复合粉体的制备方法

摘要

本发明涉及一种氧化锆—莫来石复合粉体的制备方法。其方案是将干燥过的55～65wt％的锆英石、35～45wt％的碳酸钠或碳酸钾置于刚玉质容器，在高温炉内于900～1000℃条件下保温2～5小时，冷却后取出。加入热水，用盐酸或硫酸溶液调节pH值至5～7，进行过滤、洗涤、干燥。再将25～35wt％的上述产物与65～75wt％的Al2 (SO4) 3混合，外加混合物质量的1～2倍盐类原料置于刚玉质容器，在高温炉内于900～1000℃条件下保温2～5小时，冷却后溶解盐类，最后进行过滤、洗涤、烘干，得到氧化锆—莫来石复合粉体材料。本发明所制备的氧化锆—莫来石复合粉体中莫来石呈晶须状、直径为50～100nm、长度为2～5μm，氧化锆呈球状颗粒、直径50～100nm。

说明书

技术领域

本发明属于用于制造高温结构陶瓷的原材料的制备技术领域。尤其涉及一种氧化锆-莫来石复合粉体的制备方法。

背景技术

近年来，氧化锆复合材料得到了迅速发展，成为耐火材料领域中的重要材料。国内外不少学者研究用氧化锆增韧增强莫来石，以多相复合提高陶瓷材料的韧性。氧化锆-莫来石复合材料具有特殊的显微结构，在产品中能形成微细的氧化锆致密层。该材料化学性质稳定、熔点高、热膨胀系数小，具有很高的抗热震性和抗侵蚀性，可广泛的应用作耐火材料、高温结构材料等。

氧化锆-莫来石复合材料的制备方法主要有电熔法、烧结法、等离子法以及其它一些化学法等。由于天然的斜锆石(ZrO₂)的数量很少，因此在实际生产中主要以锆英石(ZrSiO₄)为原料生产氧化锆-莫来石复合材料。

电熔法是将制好的原料，通常采用工业氧化铝和天然锆英石，在电弧炉中高温熔化，然后经过退火后得到料坯，将料坯粉碎成颗粒，经酸洗后获得电熔莫来石原料。电熔法制备氧化锆-莫来石复合材料需要大量的电能，能耗高。为了使产品含大量的结晶相和最少量的玻璃相，要有合适的冷却制度，操作繁琐。尽管电熔氧化锆-莫来石可以采用高纯原料，但是由于需加入助熔剂和矿化剂等添加剂，以及电极损耗等仍有杂质随原料进入电炉，主要包括Na₂O、Fe₂O₃、CaO、MgO、TiO₂等，这些杂质的存在必然影响产品的使用性能。

反应烧结氧化锆-莫来石材料的生产原理是根据ZrSiO₄-Al₂O₃系固相反应来实现的，其化学反应如下式：

烧结法要求原料尽可能细、原料加工繁琐。该方法受固相扩散机制控制，由于反应不是均相反应，产物的组成不均匀。并且该方法对原料的要求较高。同时在烧结过程中需加入矿化剂、促烧剂等添加剂，因此得到的产物纯度有限。杂质过高将严重影响材料的性能。

等离子体法是利用等离子弧所产生的高温，将锆英石和氧化铝进行反应烧结制成氧化锆-莫来石复合材料。或直接将锆英石分解，得到一种细小的ZrO₂分散相并被无定形SiO₂玻璃相包裹的活性ZrSiO₄产品，再与氧化铝进行反应烧结制成ZrO₂-莫来石复合材料。这种方法需要使用等离子炉这一特殊的专用设备，投资较大，并且运行复杂。

还有一些化学方法可以生产氧化锆-莫来石复合粉体，这些方法近似于溶胶凝胶法。这些方法生产出的氧化锆-莫来石复合材料虽然纯度高，但是原料需采用一些水溶性试剂，如氯氧化锆、正硅酸乙酯等有机试剂(Monica Popa，JoséM.Calderón-Moreno，et al.Crystallizationof gel-derived and quenched glasses in the ternary oxide Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂system.Journal ofNon-Crystalline Solids，297(2-3)，2002，290-300)。这些原料成本高、操作复杂，不适于进行工业化生产。

发明内容

本发明的任务是提供一种成本低、投资小、操作简单、生产周期短、能够进行工业化生产、具有较高纯度和优异显微结构的氧化锆-莫来石复合粉体的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：将干燥过的55～65wt％的锆英石、35～45wt％的碳酸钠或碳酸钾混合后置于刚玉质容器内，在高温炉内于900～1000℃条件下保温2～5小时，冷却后取出；加入热水后搅拌，用盐酸或硫酸溶液调节pH值至5～7，然后进行过滤、洗涤、干燥，得到的产物或为锆硅酸钠粉体、或为锆硅酸钾混合粉体。

再将25～35wt％的上述产物与65～75wt％的Al₂(SO₄)₃混合，外加该混合物质量的1～2倍盐类原料，混匀后置于刚玉质容器内，在高温炉内于900～1000℃条件下保温2～5小时，冷却后溶解盐类，最后进行过滤、洗涤、烘干，得到氧化锆-莫来石复合粉体材料。

其中：锆英石中ZrO₂含量＞63％、粒度＜20μm；碳酸钠、碳酸钾、Al₂(SO₄)₃分别为分析纯、化学纯、工业原料中的一种；盐类原料或为Na₂SO₄和K₂SO₄中的一种、或为Na₂SO₄和K₂SO₄的混合物。

由于采用上述技术方案，本发明具有成本低、投资小、操作简单、生产周期短、能够进行工业化生产的特点。用本发明所制备的氧化锆-莫来石复合粉体具有较高纯度晶体形貌好的特点，其中莫来石呈晶须状、直径为50～100nm、长度为2～5μm，氧化锆呈球状颗粒、直径50～100nm。

附图说明

图1是用本发明所制备的一种氧化锆-莫来石复合粉体的扫描电子显微形貌图；

图2是用本发明所制备的一种氧化锆-莫来石复合粉体的扫描电子显微形貌图。

具体实施方式

实施例【1】

一种氧化锆-莫来石复合粉体的制备方法：将锆英石与碳酸钠在烘箱内干燥，在上述原料中：锆英石中ZrO₂含量＞63％、粒度＜20μm，碳酸钠为化学纯化学试剂。

将60～64wt％的锆英石和36～40wt％的碳酸钠充分混匀后置于刚玉质容器内，在高温炉内于950～1000℃条件下保温3～4小时，冷却后取出。加入适量热水，充分搅拌，用pH试纸测量溶液的酸度，反复加入HCl溶液，直至该溶液的pH值为7。然后经过滤、热水洗涤、干燥后可得到锆硅酸钠粉体。

再将28～33wt％的锆硅酸钠粉体、67～72wt％的Al₂(SO₄)₃混合，外加该混合物质量的1.5～2倍硫酸钠；其中硫酸钠、Al₂(SO₄)₃均为分析纯化学试剂。将上述混合物充分混匀后置于刚玉质容器内，在950～1000℃下保温2～5小时。冷却后加入适量水，经加热溶解可溶性盐类。最后进行过滤、热水洗涤、烘干。即可得到如图1所示的一种氧化锆-莫来石复合粉体。

本实施例具有操作简单、投资少、成本低、生产周期短、能够大量生产的特点。所制备的氧化锆-莫来石复合粉体如图1所示，具有较高纯度、晶体形貌好。其中莫来石呈晶须状，直径为50～100nm，长度为2～5μm；氧化锆呈球状颗粒，直径50～100nm。

实施例【2】

一种氧化锆-莫来石复合粉体的制备方法：将锆英石与碳酸钾在烘箱内干燥，在上述原料中：锆英石中ZrO₂含量＞63％，粒度＜20μm。碳酸钾为分析纯化学试剂。

将52～57wt％的锆英石、43～48wt％的碳酸钾充分混匀后置于刚玉坩埚内，在马弗炉内于950～1000℃条件下保温3～4小时，冷却后取出。加入适量热水，充分搅拌。用pH试纸测量溶液的酸度，反复加入HCl溶液，直至该溶液的pH值为7。然后经过滤、热水洗涤、干燥后可得到锆硅酸钾混合粉体。

再将28～34wt％的锆硅酸钾粉体，66～72wt％的Al₂(SO₄)₃，外加该混合物质量的1.5～1.8倍质量的硫酸钾；其中硫酸铝、硫酸钾均为分析纯化学试剂。将上述混合物充分混匀后置于刚玉质容器内，在950～1000℃下保温2～5小时，冷却后加入适量水，经加热溶解可溶性盐类，最后进行过滤、热水洗涤、烘干。即可得到如图2所示的一种氧化锆-莫来石复合粉体。

本实施例具有操作简单、投资少、成本低、生产周期短、能够大量生产的特点。所制备的氧化锆-莫来石复合粉体如图2所示，具有较高纯度、晶体形貌好。其中莫来石呈晶须状，直径为50～100nm、长度为5μm；氧化锆呈球状颗粒，直径50～100nm。