一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于陶瓷工業(yè)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法。所述方法包括步驟如下：以重量百分比計(jì)，將5％～15％的磷酸三鈣和85％～95％陶瓷坯料，以濕法球磨的方式粉碎混磨均勻，烘干研磨成粉末，干壓成型制得陶瓷生坯，生坯于窯爐內(nèi)燒成，制得高韌性陶瓷。該方法制備的高韌性陶瓷樣品以針狀莫來(lái)石和鈣長(zhǎng)石為主晶相，方石英為次晶相，Si-O系和P-O系復(fù)合玻璃相為粘結(jié)相，這種結(jié)構(gòu)晶相之間、晶相和玻璃相之間的熱膨脹系數(shù)更加匹配，能夠有效的減少陶瓷燒成過(guò)程中微裂紋的產(chǎn)生，大幅度提高陶瓷產(chǎn)品的韌性。
【專利說(shuō)明】一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷工業(yè)領(lǐng)域，涉及硅酸鹽工業(yè)陶瓷制備，具體涉及一種利用磷酸三 鈣制備高韌性陶瓷的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是陶瓷生產(chǎn)大國(guó)，傳統(tǒng)陶瓷非常發(fā)達(dá)，產(chǎn)量多年居世界首位。目前陶瓷行業(yè)面 臨的挑戰(zhàn)主要有：陶瓷生產(chǎn)能耗較大；產(chǎn)品的抗沖擊強(qiáng)度偏低，韌性較差；優(yōu)質(zhì)的原料日益 減少。傳統(tǒng)的粘土一石英一長(zhǎng)石體系中，瓷體主要以方石英（a-Si0 2)、莫來(lái)石（Al6Si2013) 為主晶相，Si-0玻璃為粘結(jié)相。其中方石英顆粒尺寸一般為幾微米到十幾微米之間，莫來(lái) 石主要為鱗片狀和顆粒狀的一次莫來(lái)石，方石英熱膨脹系數(shù)為11X 1(T6/°C，莫來(lái)石熱膨脹 系數(shù)為5. 7X1(T7°C，長(zhǎng)石質(zhì)玻璃相的熱膨脹系數(shù)為5. 3?5. 8X1(T7°C，可見(jiàn)方石英與莫 來(lái)石、長(zhǎng)石質(zhì)玻璃的熱膨脹系數(shù)相差很大，在燒成過(guò)程中，由于各相收縮不匹配，容易導(dǎo)致 產(chǎn)品產(chǎn)生微裂紋，降低陶瓷產(chǎn)品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
[0003] 以鈣、鋁、硅、氧為主要組成的鈣長(zhǎng)石化&八1251 208)熱膨脹系數(shù)為4.9? 5. 5 X 1(T6/°C，與莫來(lái)石晶相和長(zhǎng)石質(zhì)玻璃相都很接近，以鈣長(zhǎng)石取代部分方石英作為陶瓷 的主晶相，有助于降低主晶相之間、主晶相和玻璃相之間的熱膨脹系數(shù)差異。同時(shí)鈣長(zhǎng)石為 針狀形貌，針狀主晶相的存在有利于改善陶瓷顯微結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品性能，特別是韌性。
[0004] 利用鈣長(zhǎng)石增韌陶瓷已早有研究，但其研究主要偏向于根據(jù)晶體化學(xué)組成設(shè)計(jì)原 料配方，主要為Si0 2、A1203和CaC03等，合成得到單一的鈣長(zhǎng)石/莫來(lái)石復(fù)合相材料，合成 溫度一般在1400°C以上，并且工藝復(fù)雜。
[0005] 鈣通常是以鈣鹽加入到陶瓷坯料中的方式引入，鈣鹽的種類很多，其中采取磷酸 鈣的方式，在引入鈣的同時(shí)，也引入磷。和硅相似，在高溫下磷也容易形成玻璃相，并且Si-0 系和P-Ο系復(fù)合玻璃相熱膨脹系數(shù)為5. 6?6. 2X 1(T6/°C，與長(zhǎng)石質(zhì)玻璃相、莫來(lái)石晶相和 鈣長(zhǎng)石晶相都很匹配，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能造成不利影響。
[0006] 磷酸三鈣以白色晶體或無(wú)定型粉末存在，主要應(yīng)用于制備食品添加劑、生物陶瓷、 骨質(zhì)瓷、染色劑、熒光粉等


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)目前陶瓷行業(yè)中燒成溫度高、高品質(zhì)原料日益減少、產(chǎn)品性能有待提高等問(wèn) 題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，所述方法能夠改善 陶瓷產(chǎn)品的韌性。
[0008] 本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，包括如下步驟：
[0010] (1)將磷酸三鈣和陶瓷坯料混合，以濕法球磨的方式混磨均勻得到漿料；
[0011] (2)將步驟（1)所得漿料過(guò)篩、烘干，研磨成粉末，再過(guò)篩、干壓成型、保壓，制得陶 瓷生坯；
[0012] (3)將所述陶瓷生坯于窯爐內(nèi)燒成，制得高韌性陶瓷。
[0013] 在上述利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法中：
[0014] 優(yōu)選的，步驟（1)所述磷酸三鈣的摻入量占磷酸三鈣和陶瓷坯料總質(zhì)量的5%? 15% ；
[0015] 優(yōu)選的，步驟（1)所述陶瓷坯料的組成及質(zhì)量百分含量為：Si02 :65. 14 %? 70.27%、Al203:18.01 %? 22.56%、K20:1.68 %?2.24%、Na20:0.4%?0.97%、Mg0: 0· 13%?0· 48%、Fe203 :0· 37%?0· 82%、CaO :0· 15%?0· 52%、P205 :0· 10%?0· 23%、 燒失：7· 61%?8. 44% ;
[0016] 優(yōu)選的，步驟（2)所述烘干的溫度為100°C ;
[0017] 優(yōu)選的，步驟（2)所述保壓的壓力為15MPa，保壓時(shí)間為1分鐘；
[0018] 優(yōu)選的，步驟（3)所述陶瓷生坯燒成的溫度為1180?1280°C;更優(yōu)選的，步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的溫度為1200?1240°C ;
[0019] 優(yōu)選的，步驟（3)所述陶瓷生坯燒成的保溫時(shí)間為60?90分鐘；更優(yōu)選的，步驟 (3)所述陶瓷生坯燒成的保溫時(shí)間為70?80分鐘。
[0020] 本發(fā)明的原理：
[0021] 本發(fā)明將磷酸三鈣引入到陶瓷坯料中，一方面作為鈣質(zhì)元素的來(lái)源，在燒成過(guò)程 中生成鈣長(zhǎng)石，同時(shí)鈣質(zhì)元素的引入，能夠降低陶瓷燒成過(guò)程中液相出現(xiàn)的溫度，改變高溫 熔體的理化性質(zhì)，有助于石英和鱗片狀、顆粒狀的一次莫來(lái)石的熔融，進(jìn)而生成針狀的二次 莫來(lái)石，從而可以在較低溫度下形成優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)：較多的針狀莫來(lái)石和鈣長(zhǎng)石晶體，少 量方石英；另一方面作為磷元素的來(lái)源，在產(chǎn)品中生成Si-o系和p-o系復(fù)合玻璃相，石英在 P-Ο系玻璃中的熔融溫度相對(duì)Si-o系玻璃低50°C?200°C，可進(jìn)一步加速方石英的熔融和 二次莫來(lái)石、鈣長(zhǎng)石的生成。最終形成以針狀莫來(lái)石和鈣長(zhǎng)石為主晶相、Si-Ο系和P-Ο系 復(fù)合玻璃相的顯微結(jié)構(gòu)，各相之間熱膨脹系數(shù)相匹配，能夠減少陶瓷燒成過(guò)程中顯微裂紋 的產(chǎn)生，顯著提高陶瓷產(chǎn)品的抗沖擊韌性和強(qiáng)度。
[0022] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0023] (1)本發(fā)明利用磷酸三鈣提供了鈣和磷，在陶瓷燒成過(guò)程中生成鈣長(zhǎng)石以及Si-0 系和P-Ο系復(fù)合玻璃相，可以大幅度提高陶瓷產(chǎn)品的抗沖擊韌性。鈣質(zhì)元素的引入降低了 燒成過(guò)程中液相出現(xiàn)的溫度，改變了高溫液相的理化性質(zhì)，加快石英的熔融和針狀二次莫 來(lái)石的生成；同時(shí)方石英在P-o系玻璃中的熔融溫度相對(duì)Si-o系玻璃低50°C?200°C，進(jìn) 一步加速了石英的熔融，從而陶瓷產(chǎn)品可以在較低溫度下形成優(yōu)異的顯微結(jié)構(gòu)：以針狀莫 來(lái)石和鈣長(zhǎng)石為主晶相，方石英為次晶相，Si-Ο系和P-Ο系復(fù)合玻璃為粘結(jié)相。
[0024] (2)本發(fā)明引入磷酸三鈣后燒成的陶瓷產(chǎn)品主晶相之間、主晶相和玻璃相之間熱 膨脹系數(shù)相匹配，能夠顯著減少燒成過(guò)程中微裂紋的產(chǎn)生，從而提高陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性 和強(qiáng)度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1未添加磷酸三鈣的普通陶瓷樣品掃描電鏡照片（放大5000倍）。
[0026] 圖2實(shí)施例1添加磷酸三鈣的高韌性陶瓷樣品的掃描電鏡照片（放大5000倍）。
[0027] 圖3實(shí)施例1添加磷酸三鈣的高韌性陶瓷樣品的掃描電鏡照片（放大20000倍）。
[0028] 圖4未添加磷酸三鈣的普通陶瓷樣品的X射線衍射分析圖譜。
[0029] 圖5實(shí)施例1添加磷酸三鈣的高韌性陶瓷樣品的X射線衍射分析圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，包括如下步驟：
[0033] (1)以重量百分比計(jì)，將磷酸三鈣15%和陶瓷坯料85% (化學(xué)組成見(jiàn)表1)混合， 以濕法球磨的方式混磨均勻得到漿料；在濕法球磨中，磨球、混合物料及水的質(zhì)量比為：磨 球：混合物料：水=1. 2:1:0. 8,球磨時(shí)間為2h ;
[0034] (2)將步驟⑴的漿料過(guò)100目篩，于100°C干燥24h，研磨成粉末，再過(guò)100目篩， 干壓成型，15MPa下保壓1分鐘制得陶瓷生坯；
[0035] (3)將陶瓷生坯于窯爐內(nèi)燒成，控制燒成溫度為1180°C，保溫時(shí)間為60分鐘，制得 陶瓷樣品；
[0036] 表1陶瓷坯料化學(xué)組成（wt % )
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將磷酸三鈣和陶瓷坯料混合，以濕法球磨的方式混磨均勻得到漿料； (2) 將步驟（1)所得漿料過(guò)篩、烘干，研磨成粉末，再過(guò)篩、干壓成型、保壓，制得陶瓷生 坯； (3) 將所述陶瓷生坯于窯爐內(nèi)燒成，制得高韌性陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（1) 所述磷酸三鈣的摻入量占磷酸三鈣和陶瓷坯料總質(zhì)量的5%?15%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟 (1)所述陶瓷坯料的組成及質(zhì)量百分含量為：Si02 : 65. 14%?70. 27%、A1203 :18. 01 %? 22. 56 %、K20 :1. 68 % ?2. 24 %、Na20 :0· 4 % ?0· 97 %、MgO :0· 13 % ?0· 48 %、Fe203 : 0· 37%?0· 82%、CaO :0· 15%?0· 52%、P205 :0· 10%?0· 23%、燒失：7· 61%?8. 44%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（2) 所述烘干的溫度為l〇〇°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（2) 所述保壓的壓力為15MPa，保壓時(shí)間為1分鐘。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的溫度為1180?1280°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的溫度為1200?1240°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的保溫時(shí)間為60?90分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法，其特征在于：步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的保溫時(shí)間為70?80分鐘。
【文檔編號(hào)】C04B35/185GK104140255SQ201410371323
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】張志杰, 張捷, 劉平安, 鐘明峰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)