一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料
阅读说明：本技术 一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料 (High-temperature structural ceramic material doped with polymer tubular fibers ) 是由 李连地 陈健 杨红鑫 潘勇 黄裕娥 于 2021-01-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料,涉及陶瓷技术领域。一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料,包括下列重量份的原料：80份Al-2O-3-SiO-2-MgO骨料颗粒、40份Al-2O-3-SiO-2-MgO细粉、45份氧化铝微粉、45份氧化硅微粉、20份复合添加剂、20份结合剂和20份聚合物管状纤维。本发明的高温结构陶瓷材料,可以应用在铸造热工设备中,并实现快速热处理、缩短停炉时间的掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料产品,确保高温结构陶瓷材料具有良好的透气性能,并在高温热处理过程中不产生裂纹或剥落,以实现良好的工作性能、强度和耐久性,且节约成本。(The invention discloses a high-temperature structural ceramic material doped with polymer tubular fibers, and relates to the technical field of ceramics. A high-temperature structural ceramic material doped with polymer tubular fibers comprises the following raw materials in parts by weight: 80 parts of Al 2 O 3 ‑SiO 2 -MgO aggregate particles, 40 parts of Al 2 O 3 ‑SiO 2 Fine MgO powder, 45 parts of alumina micro powder, 45 parts of silica micro powder, 20 parts of composite additive, 20 parts of binder and 20 parts of polymer tubular fiber. The high-temperature structural ceramic material can be applied to casting thermal equipment and is practicalThe high-temperature structural ceramic material product doped with the polymer tubular fiber is subjected to rapid heat treatment, the furnace shutdown time is shortened, the high-temperature structural ceramic material is ensured to have good air permeability, cracks or peeling are not generated in the high-temperature heat treatment process, so that good working performance, strength and durability are realized, and the cost is saved.)
技术领域
本发明涉及陶瓷技术领域，特别是涉及一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料。
背景技术
熔炼热工设备的衬体材料是由高温结构陶瓷材料施工制作的，但是在制作好的衬体材料中会存在一定含量的水分或易挥发组分，一方面是由于部分高温结构陶瓷材料是通过加水或易挥发组分混合成型的，另一方面是由于材料本身会吸收环境水分而形成自由水、结晶水、化合水，在熔炼使用时经过热处理或者在高温环境下长期使用，衬体材料内部水分或易挥发组分会随着温度升高而由液态转变为气态，并通过衬体材料基体内部的各个通道逐渐向外散逸，但是由于衬体材料比较致密、孔道不连续，导致水或易挥发组分蒸气无法快速散逸，致使衬体材料内部形成较大的蒸汽压，如果衬体材料透气性能不足以满足内部水或易挥发组分蒸汽的快速排出，就会导致内部压力和热应力的迅速增大，破坏基体结构，产生大量裂纹，甚至剥落、爆裂，进而导致熔炼热工设备中的高温熔液向外部渗漏和外溢，加剧衬体材料的损毁，甚至导致重大安全问题。因此，为了保证熔炼热工设备的稳定安全生产，提高其使用寿命，就必须通过有效措施实现衬体材料热处理或者高温环境下水分或易挥发组分可以有效快速地排出。
目前，改善高温结构陶瓷材料防爆裂性的措施主要有两种，即合理控制热处理程序和使用防爆裂添加剂，但由于各热工设备生产条件不一，较难制定统一合理的热处理程序，因此，采用加入防爆裂添加剂的方式是改善高温结构陶瓷材料抗爆裂性最有效的方法。
目前，传统的方法是使用实心圆形或异形的聚合物纤维来作为防爆裂添加剂使用，这主要是利用了聚合物纤维可以在高温热处理时达到材料熔点后可以熔化、达到燃点后可以烧蚀，进而在衬体材料中留下相应的通道，利于水分或易挥发组分散逸排出，但是这就需要初期有一定的温度，目前根据实际应用来看，聚合物纤维的熔化温度在200℃以内，而水或易挥发组分蒸气大量排出的温度在50℃以上，这就造成了一定的温度重合区域，如果刚好热处理温度在重合区域没有很好地对热处理程序进行控制，仍然会导致衬体材料被内部的较大蒸汽压和热应力破坏。
发明内容
基于上述缺陷，本发明提供一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，采用了聚合物管状纤维或采用一维、二维或三维纳米碳材料(包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、纳米碳球等)对其进行改性或预混后，掺杂进入高温结构陶瓷材料的基质中，管状纤维的横截面是管状，由于管状纤维的壁厚在微米级尺度，因此其熔点低，易于在低温下熔化；由于其是管状结构，其熔化后和烧蚀后的残留物少，不会造成内部通道的堵塞。
解决该技术问题的技术方案为：
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，包括下列重量份的原料：30～80份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、2～40份Al2O3-SiO2-MgO细粉、3～45份氧化铝微粉、3～45份氧化硅微粉、0.1～20份复合添加剂、0.2～20份结合剂和0.2～20份聚合物管状纤维。
进一步地，所述Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石中的至少一种组成为(Al2O3)m：(SiO2)n：(MgO)x的材料，其中，m为0～25，n为0～25，x为0～25。
进一步地，所述Al2O3-SiO2-MgO细粉的平均粒度为100目。
进一步地，所述Al2O3-SiO2-MgO细粉为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石中的至少一种组成为(Al2O3)m：(SiO2)n：(MgO)x的材料，其中，m为0～25，n为0～25，x为0～25。
进一步地，所述氧化铝微粉中氧化铝含量大于90％；所述氧化硅微粉中氧化硅含量大于80％。
进一步地，所述复合添加剂为硫酸钡、硫酸锶、氧化铬、氧化镁、氧化铈、氟化钙、氟化铝、磷酸铝、磷酸镁、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化硼、蓝晶石、钛酸铝、红柱石、硅线石、聚磷酸盐、偏磷酸盐、聚羧酸、木质素减水剂、萘系减水剂或分散氧化铝系高效减水剂中的至少一种。
进一步地，所述结合剂为水、硅溶胶、水玻璃、磷酸、磷酸二氢铝、高硅氧铝溶胶、水合氧化铝微粉、硅铝溶胶粉、铝酸盐水泥、树脂、沥青中的至少一种。
进一步地，所述聚合物管状纤维横截面的外径为1～200μm，内径为0.1～190μm，壁厚为0.9～180μm。
进一步地，所述聚合物管状纤维为聚乙烯，聚丙烯，聚酯，聚烯烃，聚丙烯腈纤维中的至少一种与一维、二维或三维纳米碳材料中的至少一种的预混物，或者为聚乙烯，聚丙烯，聚酯，聚烯烃，聚丙烯腈纤维中的至少一种。
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料的制备方法，具体为：将所述重量份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、Al2O3-SiO2-MgO细粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉、复合添加剂混合后，加入所述重量份的结合剂搅拌混合，再施工成型，自然干燥；然后在50℃以上温度下烘烤和保温，得陶瓷材料。
本发明的有益效果：本发明的一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，采用一维、二维或三维纳米碳材料(包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、纳米碳球等)对聚合物管状纤维进行改性或预混后，由于纳米碳材料具有优异的导热性能，可以显著提高聚合物管状纤维的导热性能，在高温结构陶瓷材料的热处理过程中，热量可以在聚合物纤维中快速传递，实现其整体、快速地软化和熔化，而纳米碳材料由于尺寸的纳米效应，可以在热处理过程中快速氧化烧蚀，不在材料内部孔道中残留；而且，聚合物管状纤维独特的管状截面结构，使其在没有熔化和烧损前，就能具有输送水分或易挥发组分的通道；在热处理过程中，达到熔点前的较低温度下，聚合物管状纤维会出现软化现象，由于其具有中空管状结构，软化过程中，管壁会向中心收缩，在聚合物纤维和高温结构陶瓷材料之间形成间隙，随着温度的提高，该间隙不断扩大，而管状纤维中空内径不断缩小，仍然可以给水分或易挥发组分提供稳定的输送通道。
这种高温结构陶瓷材料可以应用在铸造热工设备中，并实现快速热处理、缩短停炉时间的掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料产品。根据聚合物管状纤维的比例、成分、尺寸方面的优化，实现了产品的系列化，确保高温结构陶瓷材料具有良好的透气性能，并在高温热处理过程中不产生裂纹或剥落，以实现良好的工作性能、强度和耐久性，且节约成本。
附图说明
图1为实施例1所得产物的电子显微镜扫描图谱；
图2为实施例3所得产物的电子显微镜扫描图谱。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，包括下列重量份的原料：30份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、2份Al2O3-SiO2-MgO细粉、3份氧化铝微粉、3份氧化硅微粉、0.5份复合添加剂、0.2份结合剂和0.2份聚合物管状纤维。所述Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒为矾土、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)10：(SiO2)8：(MgO)6的材料；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉的平均粒度为100目；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)20：(SiO2)18：(MgO)10的材料；所述氧化铝微粉中氧化铝含量为90％；所述氧化硅微粉中氧化硅含量为80％。所述复合添加剂为硫酸钡、硫酸锶重量比1:1的混合物。所述结合剂为硅溶胶。所述聚合物管状纤维横截面的外径为1μm，内径为0.5μm，壁厚为1μm；所述聚合物管状纤维为聚乙烯。
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料的制备方法，具体为：将所述重量份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、Al2O3-SiO2-MgO细粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉、复合添加剂混合后，加入所述重量份的结合剂搅拌混合，再施工成型，自然干燥；然后在50℃以上温度下烘烤和保温，得陶瓷材料；随后按照熔铸热工设备的要求进行使用。
实施例二：
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，包括下列重量份的原料：50份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、25份Al2O3-SiO2-MgO细粉、28份氧化铝微粉、28份氧化硅微粉、10份复合添加剂、10份结合剂和10份聚合物管状纤维。所述Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒为矾土、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)10：(SiO2)8：(MgO)6的材料；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉的平均粒度为100目；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)20：(SiO2)18：(MgO)10的材料；所述氧化铝微粉中氧化铝含量为93％；所述氧化硅微粉中氧化硅含量为85％。所述复合添加剂为硫酸钡、硫酸锶重量比1:1的混合物。所述结合剂为硅溶胶。所述聚合物管状纤维横截面的外径为100μm，内径为150μm，壁厚为150μm；所述聚合物管状纤维为聚丙烯。
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料的制备方法，具体为：将所述重量份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、Al2O3-SiO2-MgO细粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉、复合添加剂混合后，加入所述重量份的结合剂搅拌混合，再施工成型，自然干燥；然后在50℃以上温度下烘烤和保温，得陶瓷材料；随后按照熔铸热工设备的要求进行使用。
实施例三：
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，包括下列重量份的原料：80份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、40份Al2O3-SiO2-MgO细粉、45份氧化铝微粉、45份氧化硅微粉、20份复合添加剂、20份结合剂和20份聚合物管状纤维。所述Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒为矾土、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)10：(SiO2)8：(MgO)6的材料；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉的平均粒度为100目；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)20：(SiO2)18：(MgO)10的材料；所述氧化铝微粉中氧化铝含量为95％；所述氧化硅微粉中氧化硅含量为90％。所述复合添加剂为硫酸钡、硫酸锶重量比1:1的混合物。所述结合剂为硅溶胶。所述聚合物管状纤维横截面的外径为200μm，内径为190μm，壁厚为180μm；所述聚合物管状纤维为聚丙烯腈纤维。
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料的制备方法，具体为：将所述重量份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、Al2O3-SiO2-MgO细粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉、复合添加剂混合后，加入所述重量份的结合剂搅拌混合，再施工成型，自然干燥；然后在50℃以上温度下烘烤和保温，得陶瓷材料；随后按照熔铸热工设备的要求进行使用。
对比例1
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料，包括下列重量份的原料：30份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、2份Al2O3-SiO2-MgO细粉、3份氧化铝微粉、3份氧化硅微粉、0.5份复合添加剂、0.2份结合剂和0.2份聚合物管状纤维。所述Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒为矾土、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)5：(SiO2)3：(MgO)2的材料；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉的平均粒度为100目；所述Al2O3-SiO2-MgO细粉为矾土、刚玉、莫来石、尖晶石组成为(Al2O3)5：(SiO2)3：(MgO)2的材料；所述氧化铝微粉中氧化铝含量为90％；所述氧化硅微粉中氧化硅含量为80％。所述复合添加剂为硫酸钡、硫酸锶重量比1:1的混合物。所述结合剂为硅溶胶。所述聚合物管状纤维横截面的外径为1μm，内径为0.5μm，壁厚为1μm；所述聚合物管状纤维为聚乙烯。
一种掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料的制备方法，具体为：将所述重量份Al2O3-SiO2-MgO骨料颗粒、Al2O3-SiO2-MgO细粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉、复合添加剂混合后，加入所述重量份的结合剂搅拌混合，再施工成型，自然干燥；然后在50℃以上温度下烘烤和保温，得陶瓷材料；随后按照熔铸热工设备的要求进行使用。
随后按照熔铸热工设备的要求进行使用对实施例及对比例中的产品进行相关性能检测；抗热震性测试标准遵循GB/T 30873-2014；抗折强度测试标准遵循GBT6569-2006)；耐磨测试遵循GB/T18301-2001；吸水率测试遵循GB/T2999-2002。测试结果如下表1所示。图1为实施例1所得产物的电子显微镜扫描图谱；图2为实施例3所得产物的电子显微镜扫描图谱。
从图知，图1说明聚合物管状纤维能够在高温结构陶瓷的基体中均匀分散，图2说明聚合物管状纤维在分散的状态下，可以相互连接形成连续孔道。
表1性能测试结果
实施例
实施例1
实施例2
实施例3
对比例1
抗折强度(MPa)
25
5
20
15
热震次数
45
40
45
55
磨损量(cm<sup>3</sup>)
3.1
6.0
4.2
4.5
吸水率
1.2％
1.00％
1.10％
1.30％
在室温条件下，通过紫外线对实施例3所得的掺杂聚合物管状纤维的高温结构陶瓷材料进行了老化24h，在管状聚合物纤维横截面尺寸会发生收缩，而不需要通过升温。紫外线辐射能量值与管状聚合物纤维横截面尺寸收缩率的关系如下表2所示。
表2老化测试
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
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