一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法 (Preparation method for in-situ synthesis of mullite whisker ceramic material ) 是由 周毅 白伟 张成霞 赵红星 吕振新 张皓博 田玉明 王凯悦 力国民 秦梅 武雅乔 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法,主要包括以下步骤：将粉煤灰在高温下煅烧后,采用盐酸处理,经干燥、研磨、过40目筛；将工业芒硝与工业氢氧化铝研磨、烘干、过40目筛；将过筛后的粉煤灰、工业芒硝与工业氢氧化铝装入球磨罐中,充分球磨混合后,高温煅烧,随后随炉自然冷却到室温,得到含莫来石晶须的陶瓷材料。本发明将粉煤灰固废变废为宝、流程简单高效、节能环保,合成出的莫来石晶须具有直径20-40nm；长5-10μm,长径比125-500的显著特征,制备的陶瓷材料抗折强度高,性能好。(The invention discloses a preparation method of an in-situ synthesized mullite whisker ceramic material, which mainly comprises the following steps: calcining the fly ash at high temperature, treating with hydrochloric acid, drying, grinding, and sieving with a 40-mesh sieve; grinding industrial mirabilite and industrial aluminum hydroxide, drying and sieving by a 40-mesh sieve; and (3) loading the sieved fly ash, industrial mirabilite and industrial aluminum hydroxide into a ball milling tank, fully ball milling and mixing, calcining at high temperature, and naturally cooling to room temperature along with a furnace to obtain the ceramic material containing the mullite whiskers. The method changes the solid waste of the fly ash into valuable, has simple and efficient flow, saves energy and protects environment, and the synthesized mullite whisker has the diameter of 20-40 nm; 5-10 μm long, aspect ratio 125-500, and the prepared ceramic material has high breaking strength and good performance.)
技术领域
本发明属于材料制备领域，尤其涉及一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法。
背景技术
莫来石（3 Al2O3·2 SiO2）是一种铝硅酸盐相，其内部由[AlO4]四面体、[ SiO4]四面体、与[AlO6]八面体连接而成。这种结构使得莫来石具有低热导、低膨胀、高强度、耐高温等优良的热机械性能。而晶须是一种以高长径比为特征的纤细的单晶材料，其内部近乎完美无缺陷与外形呈须状的一维特点，赋予了其具有接近理论值的强度与韧性。
将莫来石晶体制成晶须状，将更加提升含莫来石陶瓷材料的热机械性能，是一种性能极佳的增韧增强添加剂。莫来石晶须以其优异的热稳定性、高强韧特性，已在金属基、陶瓷基、高分子基等复合材料以及高温耐火材料领域广为推崇，并成功制得了性能优异的各类复合材料。
粉煤灰是当今全球火电厂量排最大的固体废弃物，并且随着社会发展其排放量在逐渐增大，这严重威胁到了生态环境可持续发展、人类及动物的健康，为人类社会带来严重的危害。然而，得益于其成岩特性，即其内部成分主要由Al2O3和SiO2组成，这就为合成莫来石相提供了成分条件。
目前，以粉煤灰作为原料合成莫来石及莫来石晶须的思路已开始被采用。张玉军等（山东大学，一种莫来石晶须的制备方法，CN 1785893 A）利用铝溶胶与硅溶胶先获得干凝胶，再混入工业氟化铝，于1350℃-1550℃煅烧制备莫来石晶须粉。这类溶胶凝胶法的弊端在于原料是复杂的有机物，不止成本高且排放后会污染环境；工艺复杂、周期长，也不符合简单高效的要求。另外一种合成莫来石晶须的方法是无机物煅烧法。彭金辉等（一种常压烧结合成莫来石晶须的方法，CN 101935877 A）以工业氧化铝与二氧化硅为原料，氟化铝与五氧化二钒为添加剂，在酒精中湿磨后于1250℃-1450℃烧结得到莫来石晶须产品。这一方法虽然工艺明显简单化，但其以氟化铝与五氧化二钒这些高成本试剂作为添加剂，且烧结温度在1250℃以上。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法。
本发明是这样实现的：一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法，以粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝为原料，粉煤灰高温煅烧后经盐酸处理，与工业氢氧化铝和工业芒硝混合，充分球磨混合后通过固态烧结原位合成含莫来石晶须的陶瓷材料。
进一步的，所述粉煤灰、工业芒硝与工业氢氧化铝的质量比例为1.7-2.3：5：2.7-3.3。
进一步的，原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粉煤灰在600℃煅烧1h，采用浓度15-25 mol/L盐酸处理1-2h，之后用清水清洗3-4次，于90-110℃干燥2-4 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于90-110℃干燥2-4 h，粉磨后过40目筛；
（3）将过筛后的粉煤灰、工业芒硝与工业氢氧化铝按重量比称量后装入球磨罐中，充分球磨混合4-6小时后移入刚玉瓷舟中，在箱式炉中900℃-1100℃煅烧2-3小时，随后随炉自然冷却到室温，得到含莫来石晶须的陶瓷材料。
进一步的，所述的球磨罐或为刚玉球磨罐、或为玛瑙球磨罐、或为聚氨酯球磨罐。
进一步的，所述球磨罐为刚玉球磨罐，介质球为刚玉球、球磨介质为蒸馏水，混合料：刚玉球：蒸馏水的质量比为1：2：1。
通过上述步骤制得的是粉末状的莫来石晶须陶瓷材料。
还可制成坯体形状的莫来石晶须陶瓷材料，具体如下：一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将粉煤灰在600℃煅烧1h，采用浓度15-25 mol/L盐酸处理1-2h，之后用清水清洗3-4次，于90-110℃干燥2-4 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于90-110℃干燥2-4 h，粉磨后过40目筛；
（3）将过筛后的粉煤灰、工业芒硝与工业氢氧化铝按重量比称量后装入球磨罐中，充分球磨混合4-6小时后，经干燥后得到预混合料；
（4）预混均匀的粉料陈化后，用压片机压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体；
（5）将上述条形坯体置于刚玉垫板上，在箱式炉中以3-4℃ /min的速率升温到900℃-1100℃之间，保温2-3小时后，随后随炉自然冷却到室温，得到含莫来石晶须的陶瓷材料。
步骤（4）制备条形坯体的具体如下：
（a）在预混均匀的粉料中加入原料重量的3-5％，重量百分浓度为5-10％的聚乙烯醇溶液，用研磨棒混合研磨15-45min后，装入密闭容器中陈化10-12h；
（b）将陈化后的粉料用压片机以20 MPa的压力压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体。
上述步骤中球磨工艺与制备粉末状的莫来石晶须陶瓷材料的球磨工艺相同。
所得条形坯体状含莫来石晶须的陶瓷材料抗折强度平均值达到50MPa以上。所得条形坯体状含莫来石晶须陶瓷材料以晶须相为主，晶须直径20-40nm，长5-10μm，长径比在125-500的范围。
本发明具有将粉煤灰固废变废为宝、流程简单高效、节能环保的有益效果。（1）采用发电厂排放的固体废弃物粉煤灰为主要原料，以低成本工业氢氧化铝为补充铝源，以低成本工业芒硝为助熔剂，通过简单原料预处理与固态烧结方法原位合成出了莫来石晶须陶瓷材料。（2）合成出的莫来石晶须具有直径20-40nm；长5-10μm，长径比125-500的显著特征。（3）制备的陶瓷材料抗折强度在55 Mpa以上。
附图说明
图1是在实施例1所得产品的XRD图谱,
图2是在实施例1所得产品的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，以使本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1：
（1）首先将电厂粉煤灰在600℃煅烧1h，将煅烧后的粉煤灰用浓度25 mol/L盐酸处理1h，之后用清水清洗4次，于90℃干燥4 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于90℃干燥4 h，粉磨后过40目筛；
（3）将干燥后的粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝按照1.7：3.3：5的重量比称量后球磨4 h，经干燥后得到预混合料；所述球磨过程中的球磨罐为刚玉球磨罐，球磨过程中的介质球为刚玉球，球磨介质为蒸馏水,混合料：刚玉球：蒸馏水的质量比为1：2：1,此处混合料指的是粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝的混合物；
（4）预混均匀的粉料陈化后，用压片机压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体；
（5）将上述条形坯体置于刚玉垫板上，在箱式炉中以4℃ /min的速率升温到900℃，保温3 h后随炉冷却，得到莫来石晶须陶瓷材料。
具体制备条形坯体的步骤如下：
（a）在预混均匀的粉料中加入原料重量的3％，重量百分浓度为5%的聚乙烯醇溶液，用研磨棒混合研磨30min后，装入密闭容器中陈化12h；
（b）将陈化后的粉料用压片机以20 MPa的压力压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体；
步骤（5）得到的莫来石晶须陶瓷材料，其抗折强度平均值达到57.2 MPa。
对得到的含莫来石晶须陶瓷材料，进行X射线衍射，分析其衍射图谱，得到图1，由图1可看出，通过以上步骤得到的陶瓷材料以莫来石相为主，含有极少杂相。
得到的含莫来石晶须陶瓷材料通过扫描电镜可得图2，由图2可看出，通过以上步骤得到的陶瓷材料以晶须相为主，其直径20-40nm，长5-10μm，长径比在125-500的范围。
实施例2：
（1）首先将电厂粉煤灰在600℃煅烧1h，将煅烧后的粉煤灰用浓度22 mol/L盐酸处理1.5h，之后用清水清洗4次，于100℃干燥3 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于100℃干燥3 h，粉磨后过40目筛；
（3）将干燥后的粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝按照2：3：5的重量比称量后球磨5 h，经干燥后得到预混合料；
（4）在预混均匀的粉料中加入原料重量的4％，重量百分浓度为7%的聚乙烯醇溶液，用研磨棒混合研磨40min后，装入密闭容器中陈化10 h；
（5）将陈化后的粉料用压片机以20 MPa的压力压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体；
（6）将上述条形坯体置于刚玉垫板上，在箱式炉中以3℃ /min的速率升温到1000℃，保温2.5 h后随炉冷却，得到莫来石晶须陶瓷材料。
所述球磨过程中的球磨罐为刚玉球磨罐，球磨过程中的介质球为刚玉球，球磨介质为蒸馏水。
通过以上步骤得到的莫来石晶须陶瓷材料其抗折强度平均值达到59.5 MPa。
通过以上步骤得到的莫来石晶须陶瓷材料的SEM图片与图2相似。
实施例3：
（1）首先将电厂粉煤灰在600℃煅烧1h，将煅烧后的粉煤灰用浓度20 mol/L盐酸处理2 h，之后用清水清洗3次，于110℃干燥2 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于110℃干燥2 h，粉磨后过40目筛；
（3）将干燥后的粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝按照2.3：1.7：5的重量比称量后球磨6 h，经干燥后得到预混合料；
（4）在预混均匀的粉料中加入原料重量的5％，重量百分浓度为10%的聚乙烯醇溶液，用研磨棒混合研磨45min后，装入密闭容器中陈化11 h；
（5）将陈化后的粉料用压片机以20 MPa的压力压制成长×宽×高＝5 mm×5 mm×50 mm的条形坯体；
（6）将上述条形坯体置于刚玉垫板上，在箱式炉中以3℃ /min的速率升温到1100℃，保温2 h后随炉冷却，得到莫来石晶须陶瓷材料。
所述球磨过程中的球磨罐为刚玉球磨罐，球磨过程中的介质球为刚玉球，球磨介质为蒸馏水。
通过以上步骤得到的莫来石晶须陶瓷材料其抗折强度平均值达到52.8 MPa。
通过以上步骤得到的莫来石晶须陶瓷材料的SEM图片与图2相似。
实施例4：
（1）首先将电厂粉煤灰在600℃煅烧1h，将煅烧后的粉煤灰用浓度20 mol/L盐酸处理1h，之后用清水清洗4次，于100℃干燥4 h，粉磨后过40目筛；
（2）将工业芒硝与工业氢氧化铝于100℃干燥4 h，粉磨后过40目筛；
（3）将干燥后的粉煤灰、工业氢氧化铝与工业芒硝按照2：3：5的重量比称量后，充分球磨混合4小时后移入刚玉瓷舟中，以4℃ /min的速率升温到1000℃，1000℃煅烧3小时，随后随炉自然冷却到室温，得到含莫来石晶须的陶瓷材料。
对得到的含莫来石晶须陶瓷材料，进行X射线衍射，分析其衍射图谱，所得图片与图1相似，所得到的莫来石晶须陶瓷材料的SEM图片与图2相似。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。