一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法【技术领域】。具体涉及一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。[0002]随着陶瓷工业的迅速发展，陶瓷产品趋向优质、高产和低耗，烧成工艺倾向于快烧技术，使得堇青石-莫来石窑具材料得到大量推广。目前，国内外对堇青石-莫来石质窑具的研究已有不少，其制造方法一般可归纳为以下3种:(1)分别预合成堇青石和莫来石熟料，作为骨料和基质，经配料、成型后烧成；(2)先预合成莫来石熟料作为骨料，再在基质中原位生成堇青石；(3)直接原位合成堇青石-莫来石复合材料。在工业应用上主要采用前两种，但普遍存在骨料与基质料结合不紧密，热震稳定性较差等问题；直接原位合成的堇青石-莫来石复合材料由于强度较低尚未在工业上广泛应用。[0003]多孔轻质堇青石-莫来石材料是一种轻量化节能窑具，有望成为新一代高性能窑具材料。关于该材料的研究虽有一定进展，但仍存在一些问题。如“节能型轻质堇青石-莫来石窑具材料、窑具及制备方法”(CN 103130524 A)专利技术，以漂珠、蓝晶石和莫来石为骨料，以镁粉、滑石、氧化铝和黏土为基质料，外加木粉为造孔剂，所制得的轻质堇青石-莫来石窑具虽有其优点，但其缺点是材料相组成分布不均匀，且漂珠原料中含有大量杂质，在影响材料中堇青石和莫来石的成分含量的同时，产生大量液相，使材料性能降低，另外，以木粉为造孔剂，会产生二氧化碳，造成二次污染，不利于环保。另如“一种多孔堇青石-莫来石复合陶瓷材料及制备方法”(CN 102557717 B)专利技术，以煤矸石、氢氧化铝、滑石、菱镁矿和硅石粉为原料，直接原位合成法制备多孔堇青石-莫来石材料，虽有其优点，但其缺点是合成温度较高、线变化率大和材料的结合强度低。[0004]综上所述，目前制备的多孔轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料存在以下缺点:强度低，物相成分布不均匀，杂质含量高，抗热震性不高。
[0005]本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的制备方法；用该方法制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是: 步骤一、以20~70wt%的水铝石、10~30wt%的无定型二氧化硅、5~30wt%的滑石粉和10~40wt%的黏土为原料，外加所述原料3~10wt%的水，搅拌均匀，在6(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在10(T300°C条件下干燥12~36小时，升温至125(Tl350°C，保温2~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0007]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为f 0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0008]步骤三、以20~50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和l(T40wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以2(T50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~8wt%的糊精和3~10wt%的水，混合均匀，在6(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在10(T300°C条件下干燥12~36小时，在125(Tl350°C条件下保温2~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0009]所述水铝石为拟薄水铝石、硬水铝石和软水铝石中的一种以上。
[0010]所述无定型二氧化硅为硅微粉、白炭黑中的一种或两种；无定型二氧化硅的SiO2含量为90~99wt%，粒径小于0.5 μ m。
[0011]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果:
1、本发明采用的原料之一的水铝石比表面高、孔容大和烧失量为2(T35wt%，水铝石在材料热处理过程中，不仅能原位形成气孔，且能在110(T120(TC条件下热处理得到纳米级a -Al2O3,具有较高的反应活性，实现了堇青石-莫来石相的低温合成。
[0012]2、本发明采用的原料之一的无定型二氧化硅为纳米二氧化硅，SiO2含量可达99wt%,粒径小于0.5 μ m，具有较高的反应活性，减少了材料中杂质含量，能精确控制物相成分的比例，并实现堇青石-莫来石相的低温合成。
[0013]3、本发明采用的主要原料包括水铝石、无定型二氧化硅、滑石粉和黏土，均为陶瓷行业常用原料，原料易得，价格低廉，能降低材料的制备成本。
[0014]4、本发明通过二步法制备轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料，采用预合成的多孔堇青石-莫来石复合骨料和基质粉料为原料，减小了烧制过程中材料的收缩性，能实现材料中骨料和基质之间的紧密结合，达到物相成分和气孔孔径的均匀分布；同时，颗粒之间的相互堆积，能进一步提高材料的气孔率、节约原料的使用量和材料的轻量化。
[0015]本发明所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为l(T90wt%的堇青石、9~89wt%的莫来石和I~5 wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，气孔率为40~70%，体积密度为0.96^1.58 g/cm3,平均孔径为20-80 μ m,线变化率为-0.5^0.5%，常温抗折强度9~18MPa，高温抗折强度(1250°C X0.5h) 7~16MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)55~85%。
[0016]因此，本发明具有成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控等特点，所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。



[0017]图1为本发明制备的一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的显微结构图。
[0018]下面结合附图和对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。[0019]本中:硅微粉和白炭黑的SiO2含量均为9(T99wt%，粒径均小于
0.5 μ mo实施例中不再赘述。
[0020]实施例1
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以20~40wt%的水铝石、10~18wt%的无定型二氧化硅、20~30wt%的滑石粉和3(T40wt%的黏土为原料，外加所述原料7~10wt%的水，搅拌均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在10(T15(TC条件下干燥12~24小时，升温至125(T1280°C，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0021]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为广0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0022]步骤三、以2(T40wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和3(T40wt%的粒度为f 0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以3(T40wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~4wt%的糊精和7~10wt%的水，混合均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在10(Tl5(TC条件下干燥12~24小时，在125(Tl280°C条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0023]本实施例中:水铝石为拟薄水铝石；无定型二氧化硅为白炭黑。
[0024]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为6(T90wt%的堇青石和扩39wt%的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为40~50%，体积密度为1.26~1.58g/cm3,平均孔径为20~60 μ m,线变化率为-0.2~0.2%，常温抗折强度12~15MPa，高温抗折强度(1250°C X 0.5h) 10~13MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)75~85%。
[0025]实施例2
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以30~50wt%的水铝石、15~20wt%的无定型二氧化硅、15~20wt%的滑石粉和2(T30wt%的黏土为原料，外加所述原料5~7wt%的水，搅拌均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在 15(T300°C条件下干燥24~36小时，升温至128(Tl320°C，保温4~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0026]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为广0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0027]步骤三、以3(T50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和3(T40wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以2(T30wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和4~6wt%的糊精和5~7wt%的水，混合均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥24~36小时，在128(Tl320°C条件下保温4~6小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0028]本实施例中:水铝石为硬水铝石；无定型二氧化硅为8~10wt%的白炭黑和疒10wt%的娃微粉。
[0029]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为35飞5wt%的堇青石和34飞4被％的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为50~60%，体积密度为1.12~1.46g/cm3,平均孔径为30~70 μ m,线变化率为-0.3~0.3%，常温抗折强度9~12MPa，高温抗折强度(1250°C X0.5h) 7~lOMPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)65~75%。
[0030]实施例3
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以5(T70wt%的水铝石、15~25wt%的无定型二氧化硅、5~15wt%的滑石粉和l(T20wt%的黏土为原料，外加所述原料3~5wt%的水，搅拌均匀，在8(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥12~24小时，升温至130(Tl35(rC，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0031]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为广0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0032]步骤三、以4(T50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和l(T20wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以4(T50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和6~8wt%的糊精和3~5wt%的水，混合均匀，在8(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥12~24小时，在130(Tl350°C条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0033]本实施例中:水铝石为软水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。
[0034]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为l(T45wt%的堇青石和54~89被％的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为60~70%，体积密度为0.96~1.38g/cm3,平均孔径为40~80 μ m,线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度15~18MPa，高温抗折强度(1250°C X 0.5h) 13~16MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)55~65%。
[0035]实施例4
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以30~50wt%的水铝石、15~20wt%的无定型二氧化硅、15~20wt%的滑石粉和2(T30wt%的黏土为原料，外加所述原料5~7wt%的水，搅拌均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥24~36小时，升温至128(Tl320°C，保温4~6小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0036]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为广0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0037]步骤三、以30~50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和3(T40wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以2(T30wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和4~6wt%的糊精和5~7wt%的水，混合均匀，在60-80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150-300°C条件下干燥24~36小时，在1280-l320°C条件下保温4~6小时，制
得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0038]本实施例中:水铝石为15~25wt%的拟薄水铝石和15~25?〖％硬水铝石；无定型二氧化硅为8~10wt%的白炭黑和7~10wt%的硅微粉。
[0039]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为35飞5wt%的堇青石和34飞4被％的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为50~60%，体积密度为1.12~1.46g/cm3,平均孔径为30~70 μ m,线变化率为-0.3~0.3%，常温抗折强度9~12MPa，高温抗折强度(1250°C X0.5h) 7~lOMPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)65~75%。
[0040]实施例5 一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以50-70wt%的水铝石、15~25wt%的无定型二氧化硅、5~15wt%的滑石粉和l0-20wt%的黏土为原料，外加所述原料3~5wt%的水，搅拌均匀，在80-100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150-300°C条件下干燥12~24小时，升温至1300-l35(rC，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0041]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为广0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0042]步骤三、以40-50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和10~20被％的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以40-50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石_莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和6~8wt%的糊精和3~5wt%的水，混合均匀，在80-100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在150-300°C条件下干燥12~24小时，在1300-l350-C条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0043]本实施例中:水铝石为25~35wt%的拟薄水铝石和25~35wt%软水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。
[0044]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为l0-45wt%的堇青石和54~89被％的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为60~70%，体积密度为0.96~1.38g/cm3,平均孔径为40~80 μ m,线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度15~18MPa，高温抗折强度(1250°C X 0.5h) 13~16MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)55~65%。
[0045]实施例6
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以20~40wt%的水铝石、10~18wt%的无定型二氧化硅、20~30wt%的滑石粉和30-40wt%的黏土为原料，外加所述原料7~10wt%的水，搅拌均匀，在60-80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在100-150-C条件下干燥12~24小时，升温至1250-1280°C，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0046]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为f 0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0047]步骤三、以2(T40wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和2(T40wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以3(T40wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和2~4wt%的糊精和7~10wt%的水，混合均匀，在6(T80MPa条件下机压成型，成型后的坯体在10(Tl5(TC条件下干燥12~24小时，在125(Tl280°C条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0048]本实施例中:水铝石为l(T20wt%的硬水铝石和l(T20wt%软水铝石；无定型二氧化硅为白炭黑。
[0049]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为6(T90wt%的堇青石和扩39wt%的莫来石和l~5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为40~50%，体积密度为1.26~1.58g/cm3,平均孔径为20~60 μ m,线变化率为-0.2~0.2%，常温抗折强度12~15MPa，高温抗折强度(1250°C X 0.5h) 10~13MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)75~85%。
[0050]实施例7
一种轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料及其制备方法。该方法的具体步骤是:
步骤一、以45~66wt%的水铝石、20~30wt%的无定型二氧化硅、5~15wt%的滑石粉和l(T20wt%的黏土为原料，外加所述原料3~5wt%的水，搅拌均匀，在8(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥12~24小时，升温至130(Tl35(rC，保温2~4小时，制得多孔堇青石-莫来石复合材料。
[0051]步骤二、将制得的多孔堇青石-莫来石复合材料破碎成粒度为2~1_的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒、粒度为1-0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒和粒度小于0.088mm的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体。
[0052]步骤三、以4(T50wt%的粒度为2~Imm的多孔堇青石_莫来石复合材料颗粒和l(T20wt%的粒度为f0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料颗粒为轻质骨料，再以4(T50wt%的粒度小于0.088m的多孔堇青石-莫来石复合材料粉体为基质，外加占所述轻质骨料和基质之和6~8wt%的糊精和3~5wt%的水，混合均匀，在8(T100MPa条件下机压成型，成型后的坯体在15(T300°C条件下干燥12~24小时，在130(Tl350°C条件下保温2~4小时，制得轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料。
[0053]本实施例中:水铝石为15~22wt%的拟薄水铝石、15~22wt%的软水铝石和15~22wt%的硬水铝石；无定型二氧化硅为硅微粉。
[0054]本实施例所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为15飞Owt%的堇青石和5(T85wt%的莫来石和f 5wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，骨料和基质紧密结合，气孔率为55~65%，体积密度为1.06~1.32g/cm3,平均孔径为40~80 μ m,线变化率为-0.4^0.4%，常温抗折强度13~16MPa，高温抗折强度(1250°C X 0.5h) I14ΜΡβ,热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)60~70%。
[0055]本与现有技术相比具有如下优点:
1、本采用的原料之一的水铝石比表面高、孔容大和烧失量为20-35%，水铝石在材料热处理过程中，不仅能原位形成气孔，且能在iio(Ti20(rc条件下热处理得到纳米级a -Al2O3,具有较高的反应活性，实现了堇青石-莫来石相的低温合成。
[0056]2、本采用的原料之一的无定型二氧化硅为纳米二氧化硅，SiO2含量可达99%,粒径小于0.5 μ m,具有较高的反应活性,减少了材料中杂质含量，能精确控制物相成分的比例，并实现堇青石-莫来石相的低温合成。
[0057]3、本采用的主要原料包括水铝石、无定型二氧化硅、滑石粉和黏土，都为陶瓷行业常用原料，原料易得，价格低廉，能降低材料的制备成本。
[0058]4、本通过二步法制备轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料，采用预合成的多孔堇青石-莫来石复合骨料和基质粉料为原料，减小了烧制过程中材料的收缩性，能实现材料中骨料和基质之间的紧密结合，物相成分和气孔孔径的均匀分布；同时，颗粒之间的相互堆积，能进一步提高材料的气孔率、节约原料的使用量和实现材料的轻量化。
[0059]本所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料:主要物相为10~90wt%的堇青石和9~89wt%的莫来石和I~5 wt%的刚玉，物相成分和气孔孔径分布均匀，气孔率为40~70%，体积密度为0.96~1.58g/cm3，平均孔径为20^80 μ m,线变化率为-0.5~0.5%，常温抗折强度9~18MPa，高温抗折强度(1250°C X0.5h) 7~16MPa，热震强度保持率(1100°C -水冷热震3次)55~85%。
[0060]因此，本具有成本低、环境友好、节能环保以及化学成分可控等特点，所制备的轻质堇青石-莫来石复合陶瓷材料的体积密度较小、物相成分和气孔孔径分布均匀、常温力学性能优良、高温性能较好和抗热震性能较高。