[發明專利]一種具有莫來石結構的陶瓷及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810317502.5
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108395216A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 馬運柱;宋曉雷;王娟;劉文勝;徐書恒;劉靜
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/01
• 分類號: C04B35/01;C04B35/622;D01F9/08
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明涉及一種具有莫來石結構的陶瓷及其制備方法和應用。所述陶瓷含有晶態的Al₄B₂O₉相和非晶二氧化硅；其中非晶二氧化硅占陶瓷總質量的18％及以上；所述陶瓷的密度小于2.8g/cm³、且制成絲后，單絲拉伸強度為1.2～1.8GPa，彈性模量為140～180GPa。本發明的制備工藝為經典的單相莫來石溶膠凝膠法，通過各成分種類和用量的優化，得到了低密度、高韌性、高強度的產品。本發明的制備工藝還具備原料來源廣泛、成本低，制備流程簡單可控、耗時短，對生產環境及設備要求較低，產品可重復性好，溶劑易于回收，適于工業化生產等優勢。本發明所設計和制備的產品可應用于隔熱絕緣、軍工國防、航空航天、化工環保等領域。

技術領域

本發明涉及一種具有莫來石結構的陶瓷及其制備方法和應用，屬于無機非金屬材料技術領域。

背景技術

莫來石陶瓷由于具有導熱系數低、高溫穩定性好、比熱小等優點而廣泛應用于隔熱絕緣、軍工國防、航空航天及化工環保等領域。莫來石陶瓷產品種類繁多，最常見的一種是莫來石纖維，其獨特的結構拓展了莫來石陶瓷的應用領域。隨著科技的進步，各應用領域對莫來石纖維的性能要求越來越高，制備出具有輕質特性、柔韌易彎曲、高強可編織的高溫條件下組織結構和力學性能穩定的莫來石纖維產品對擴展其應用領域、提高其應用價值意義重大。研究發現，減小莫來石纖維的晶粒尺寸可有效提高其柔韌性，抑制晶粒的長大可以明顯改善纖維高溫條件下的力學性能。因此，制備出一種晶粒尺寸小、晶粒不易長大的莫來石陶瓷纖維或莫來石結構的陶瓷纖維產品是非常具有實用價值的。

迄今為止，制備連續莫來石纖維最常用的方法是溶膠-凝膠法(sol-gel method)。通過這種方法制備莫來石纖維主要采用兩種溶膠合成工藝路線：一種是先將鋁源(鋁的醇鹽或無機鹽等)水解制備出鋁溶膠后與硅溶膠進行物理混合，所得溶膠產品中鋁和硅在分子層面混合，也稱為雙相莫來石溶膠(diphasic mullite sol)；另一種是將鋁源和硅源(硅酸乙酯或硅烷等)同時進行水解，制備的溶膠產品中鋁和硅在原子層面混合，也稱為單相莫來石溶膠(monophasic mullite sol)。單相莫來石溶膠得到產品的莫來石化溫度在980℃左右，當溫度進一步升高時，莫來石晶粒開始長大。而雙相莫來石溶膠得到的產品首先在～920℃生成γ-Al₂O₃相，而后于高于1250℃的條件下生成莫來石。在莫來石相生成前，二氧化硅均是以非晶態存在的，且均勻分布的非晶二氧化硅能夠有效阻礙γ-Al₂O₃晶粒的長大。所以，具有這種組織結構的纖維產品柔韌性好、力學性能穩定。但是，從生產工藝及成本的角度來講，單相莫來石溶膠及纖維產品的制備流程更簡單快捷，原料穩定可靠、來源廣泛且成本低，對生產環境及設備要求更低，產品可重復性更好。因此，開發出一種采用單相莫來石溶膠合成工藝路線制備的高性能莫來石纖維產品，應用價值巨大。

目前，我國連續莫來石纖維的制備研究發展較慢，纖維產品性能相對較差，應用價值明顯低于國外的同種類產品，生產工藝也落后于國外的生產單位，因此急需開發一種新型的具有輕質高柔高強特性的連續莫來石陶瓷纖維，并掌握其適于大量生產的制備方法。同時，經檢索發現，以晶態Al₄B₂O₉相作為主要相并含有非晶態的具有莫來石結構的陶瓷在相關文獻中還鮮有報道。

發明內容

本發明提供了一種具有莫來石結構的陶瓷及其制備方法，得到了具有低密度、高拉伸強度的莫來石陶瓷纖維。

本發明一種具有莫來石結構的陶瓷，所述陶瓷含有晶態的Al₄B₂O₉相和非晶二氧化硅；其中非晶二氧化硅占陶瓷總質量的18％及以上、優選為20-30％、進一步優選為24-30％；所述陶瓷的密度小于2.8g/cm³。