阅读说明：本技术 一种低烧成收缩率氧化铝陶瓷及其制备方法 (Low-firing-shrinkage alumina ceramic and preparation method thereof ) 是由 梁绍臻 马征 王志义 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低烧成收缩率的氧化铝陶瓷及其制备方法,属于特种陶瓷领域。本发明氧化铝陶瓷烧成收缩率不大于10％,主要采用工业α-Al-(2)O-(3)粉和RO-Al-(2)O-(3)-SiO-(2)烧结助剂,经高温烧结而成,其中,所述RO-Al-(2)O-(3)-SiO-(2)烧结助剂中的SiO-(2)由金属硅粉按等摩尔引入。本发明克服了现有技术生产安全风险过大的弊端,全面适用于氧化铝陶瓷的生产过程,在不改变陶瓷显微结构和力学性能的前提下,大幅度降低产品烧成变形度,提高制品的加工性能,降低加工成本。(The invention relates to an alumina ceramic with low firing shrinkage and a preparation method thereof, belonging to the field of special ceramics. The sintering shrinkage of the alumina ceramic is not more than 10 percent, and the industrial alpha-Al is mainly adopted 2 O 3 Powder and RO-Al 2 O 3 ‑SiO 2 The sintering aid is prepared by high-temperature sintering, wherein the RO-Al 2 O 3 ‑SiO 2 SiO in sintering aid 2 The metal silicon powder is introduced according to the equimolar amount. The invention overcomes the defect of overlarge production safety risk in the prior art, is comprehensively suitable for the production process of the alumina ceramic, greatly reduces the sintering deformation degree of the product on the premise of not changing the microstructure and the mechanical property of the ceramic, improves the processing performance of the product and reduces the processing cost.)

一种低烧成收缩率氧化铝陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低烧成收缩率氧化铝陶瓷及其制备方法，属于特种陶瓷领域。

背景技术

陶瓷材料的收缩是产品烧成过程中一定会出现的问题，收缩是产品变形、开裂的重要原因，直接降低产品的合格率。过大的收缩会严重影响产品精度，技术上往往采用留有较大的加工余量的方法，对烧后产品进行加工。

氧化铝陶瓷是目前工业应用最广泛的结构、功能材料，氧化铝陶瓷强度大、硬度高、脆性强，采用高余量的生产方式，其加工极其困难且成本极高。特别是近年来，随着原料粒度超细化发展，氧化铝陶瓷制品烧成收缩率逐渐增大，由17％左右变成23％左右，导致生产中产品变形、开裂、加工余量和难度加大等一系列问题的出现。

目前，关于降低氧化铝陶瓷烧成收缩率的研究很少。专利ZL201110282186.0公开了一种降低氧化铝陶瓷烧成收缩率的方法，采用超细(≤10um)的高纯(≥98％)金属铝粉代替氧化铝来实现。但是该专利技术存在严重的安全隐患：金属铝粉是严重受限的易燃易爆产品，可燃，细粉与空气能形成易燃易爆的混合物；而且在其实施例1、2中明确指出，金属铝粉与其它湿法球磨后的原料混合2h，注浆成型或喷雾干燥，高纯金属铝粉非常容易与水反应，特别是混合和注浆过程中，产生大量的氢气，同时生成氢氧化铝，既严重增加爆炸的危险，又达不到“高温铝粉氧化为氧化铝体积膨胀带来氧化铝陶瓷低收缩率”的目的，因此说其可行性值得怀疑。只有实施例3从理论上是可行的，即在严格保证安全的前提下，干法混合、热压铸成型(无水成型方式)，可以制得低收缩率陶瓷制品，显然其实用性严重受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低烧成收缩率氧化铝陶瓷及其制备方法，具体来讲，利用使用安全的金属硅粉替代氧化铝陶瓷烧结助剂中的二氧化硅，利用金属硅的高温氧化膨胀，有效的抵消氧化铝陶瓷烧成过程中的收缩，同时为了避免金属硅粉在湿法成型过程中的水化反应，对金属硅粉进行了预包覆改性处理，实现了氧化铝陶瓷干法成型(热压铸成型、压制成型)和湿法成型(注浆成型、注凝成型)的适用性。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：

本发明低烧成收缩率氧化铝陶瓷，其烧成收缩率不大于10％，主要采用工业α-Al₂O₃粉和RO-Al₂O₃-SiO₂烧结助剂，经高温烧结而成，其中，所述RO-Al₂O₃-SiO₂烧结助剂中的SiO₂由金属硅粉按等摩尔引入；金属硅粉的引入量，按质量比不超过坯料量的5％；金属硅粉的中值粒径D50不超过5um，其中硅的质量含量不小于98％。

本发明低烧成收缩率氧化铝陶瓷的制备方法，陶瓷坯体采用干法成型时，金属硅粉可以直接加入到陶瓷坯料中，进行成型。陶瓷坯体采用湿法成型时，金属硅粉需要进行预包覆改性处理，其工艺如下：

(1)在强力搅拌条件下，将金属硅粉缓慢加入到无水乙醇中，搅拌1-5小时；

(2)缓慢加入有机硅烷，搅拌均匀；

(3)在一定温度下，缓慢加入调整好PH值的硅溶胶，继续搅拌4-6小时；

(4)将上述混合物冷却至室温后，离心分离出改性后的金属硅粉，经50-200℃干燥后使用。

其中，所述硅溶胶和有机硅烷的用量按照二氧化硅和有机硅烷的质量比为1:3-6确定；无水乙醇占硅溶胶和有机硅烷总质量的20-40％；金属硅粉与硅溶胶中二氧化硅的摩尔比为5-10。更优化的，所述硅溶胶和有机硅烷的用量按照二氧化硅和有机硅烷的质量比为1:4-5确定；无水乙醇占硅溶胶和有机硅烷总质量的30-40％；金属硅粉与硅溶胶中二氧化硅的摩尔比为6-8。

所述反应温度为30-70℃，所述改性后的金属硅粉先经过50-60℃干燥后，再在180-200℃下干燥30-60分钟。更优化的，所述反应温度为30-40℃，所述改性后的金属硅粉先经过50℃干燥后，再在200℃下干燥30分钟。

所述硅溶胶的PH值为2-4，固含量(质量)为25-35％。所述有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

金属硅粉改性的目的是在其颗粒表面包覆一层致密的疏水的二氧化硅膜层，有效避免了金属硅粉在湿环境中的水化反应，保证了金属硅粉在陶瓷成型过程中完整的保持其单质的形貌，以获得高温下氧化膨胀的性能。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的技术进步：

1、本发明克服了现有技术生产安全风险过大的弊端，可以大批量工业化生产；

2、本发明技术措施全面适用于氧化铝陶瓷的生产过程，尤其是湿法成型过程，对于复杂器件的生产极具价值。

3、本发明技术措施将氧化铝陶瓷的烧成收缩率由23％降低到10％以下，不改变其显微结构(晶相和显微组织)和力学性能，部分性能，如抗弯强度还有所提高，可以大幅度降低产品烧成变形度，提高制品的加工性能，降低加工成本。

说明书附图

附图1：90氧化铝瓷的断面扫描电镜照片；

附图2：90瓷基础上引入金属硅粉的断面扫描电镜照片；

附图3：90瓷基础上引入不同含量的金属硅粉的XRD谱图：曲线a-e分别对应金属硅粉的引入量为4％、3％、2％、1％、0％。

具体实施方式

实施例1

(1)金属硅粉的预包覆处理：

在强力搅拌条件下，将88g金属硅粉缓慢加入到88g无水乙醇中，搅拌1小时；缓慢加入120g甲基三甲氧基硅烷，搅拌2小时，在40℃下，缓慢加入100gPH＝3.5的硅溶胶，继续搅拌4小时；将上述混合物冷却至室温后，离心分离出改性后的金属硅粉，经50℃干燥6小时后，进入200℃干燥0.5小时，冷却后备用。

(2)按下表质量百分比组成，称取α型三氧化二铝粉、白云石粉，湿法球磨后，按配方加入预处理金属硅粉，混合，注凝成型、干燥、素烧、精修坯、烧成获得制品。

α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉	白云石粉	预处理硅粉
			93	4.5	2.5

其中部分工艺参数为：550rpm快速研磨机球磨时间4小时，以粉体的中值粒径D50达到1μm为准；金属硅粉中值粒径D50＝1μm；采用AM体系注凝成型，素烧温度：1100℃；烧成制度：在900～1450℃区间，升温速度为5℃/min，最高烧结温度为1550℃，保温2小时。

制得的氧化铝产品烧成后收缩率为5％，显微结构和晶相组成见附图1、2、3所示，抗弯强度为243.61MPa，高于基础组成的抗弯强度231.1MPa。

实施例2

(1)金属硅粉的预包覆处理：

在强力搅拌条件下，将90g金属硅粉缓慢加入到100g无水乙醇中，搅拌1小时；缓慢加入100g甲基三甲氧基硅烷，搅拌2小时，在30℃下，缓慢加入90gPH＝3.0的硅溶胶，继续搅拌6小时；将上述混合物冷却至室温后，离心分离出改性后的金属硅粉，经50℃干燥6小时后，进入200℃干燥0.5小时，冷却后备用。

(2)按下表质量百分比组成，称取α型三氧化二铝粉、白云石粉，外加0.5wt％的聚乙烯醇PVA(1750±50)，湿法球磨后，按配方加入预处理金属硅粉，混合，喷雾造粒、干压成型、干燥、素烧、精修坯、烧成获得制品。

α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉	白云石粉	预处理硅粉
			93	3.5	3.5

其中部分工艺参数为：550rpm快速研磨机球磨时间4小时，以粉体的中值粒径D50达到1μm为准；金属硅粉中值粒径D50＝1μm；素烧温度：1100℃；烧成制度：在900～1450℃区间，升温速度为5℃/min，最高烧结温度为1550℃，保温2小时。

制得的氧化铝产品烧成后收缩率为3％，其它性能同基础组成。

实施例3

按下表质量百分比组成，称取工业三氧化二铝粉、白云石粉，干法球磨，外加0.5wt％的油酸，二次球磨，按配方加入金属硅粉，混磨，烘干、加石蜡和油酸混合，热压铸成型、排蜡、精修坯、烧成获得制品。

α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉	白云石粉	金属硅粉
			93	5	2

其中部分工艺参数为：550rpm快速研磨机干磨时间1小时；二次球磨时间4小时；混磨时间0.5小时；烘干温度：120℃烘2小时至干料含水率＜1％；石蜡和油酸添加量：58#石蜡外加12wt％、油酸外加0.5wt％；热压铸成型：成型温度90℃；排蜡制度，按常规排蜡制度；烧成制度：在900～1450℃区间，升温速度5℃/min，最高烧结温度1500℃，保温2小时。制得的氧化铝产品烧成后收缩率为7％，其它性能同基础组成。