一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法
【專利摘要】本發明屬于陶瓷工業領域，公開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，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石和鈣長石為主晶相，方石英為次晶相，Si-O系和P-O系復合玻璃相為粘結相，這種結構晶相之間、晶相和玻璃相之間的熱膨脹系數更加匹配，能夠有效的減少陶瓷燒成過程中微裂紋的產生，大幅度提高陶瓷產品的韌性。
【專利說明】一種利用磷酸三鈣制備高韌性陶瓷的方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于陶瓷工業領域，涉及硅酸鹽工業陶瓷制備，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】
[0002] 我國是陶瓷生產大國，傳統陶瓷非常發達，產量多年居世界首位。目前陶瓷行業面 臨的挑戰主要有：陶瓷生產能耗較大；產品的抗沖擊強度偏低，韌性較差；優質的原料日益 減少。傳統的粘土一石英一長石體系中，瓷體主要以方石英（a-Si0 2)、莫來石（Al6Si2013) 為主晶相，Si-0玻璃為粘結相。其中方石英顆粒尺寸一般為幾微米到十幾微米之間，莫來 石主要為鱗片狀和顆粒狀的一次莫來石，方石英熱膨脹系數為11X 1(T6/°C，莫來石熱膨脹 系數為5. 7X1(T7°C，長石質玻璃相的熱膨脹系數為5. 3?5. 8X1(T7°C，可見方石英與莫 來石、長石質玻璃的熱膨脹系數相差很大，在燒成過程中，由于各相收縮不匹配，容易導致 產品產生微裂紋，降低陶瓷產品的強度和熱穩定性，影響產品質量。
[0003] 以鈣、鋁、硅、氧為主要組成的鈣長石化&八1251 208)熱膨脹系數為4.9? 5. 5 X 1(T6/°C，與莫來石晶相和長石質玻璃相都很接近，以鈣長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差異。同時鈣長石為 針狀形貌，針狀主晶相的存在有利于改善陶瓷顯微結構，提高產品性能，特別是韌性。
[0004] 利用鈣長石增韌陶瓷已早有研究，但其研究主要偏向于根據晶體化學組成設計原 料配方，主要為Si0 2、A1203和CaC03等，合成得到單一的鈣長石/莫來石復合相材料，合成 溫度一般在1400°C以上，并且工藝復雜。
[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，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系復合玻璃相熱膨脹系數為5. 6?6. 2X 1(T6/°C，與長石質玻璃相、莫來石晶相和 鈣長石晶相都很匹配，不會對產品性能造成不利影響。
[0006] 磷酸三鈣以白色晶體或無定型粉末存在，主要應用于制備食品添加劑、生物陶瓷、 骨質瓷、染色劑、熒光粉等


【發明內容】

[0007] 針對目前陶瓷行業中燒成溫度高、高品質原料日益減少、產品性能有待提高等問 題，本發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 陶瓷產品的韌性。
[0008] 本發明的目的通過如下技術方案實現：
[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)所得漿料過篩、烘干，研磨成粉末，再過篩、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量的5%? 15% ；
[0015] 優選的，步驟（1)所述陶瓷坯料的組成及質量百分含量為：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] 優選的，步驟（2)所述烘干的溫度為100°C ;
[0017] 優選的，步驟（2)所述保壓的壓力為15MPa，保壓時間為1分鐘；
[0018] 優選的，步驟（3)所述陶瓷生坯燒成的溫度為1180?1280°C;更優選的，步驟（3) 所述陶瓷生坯燒成的溫度為1200?1240°C ;
[0019] 優選的，步驟（3)所述陶瓷生坯燒成的保溫時間為60?90分鐘；更優選的，步驟 (3)所述陶瓷生坯燒成的保溫時間為70?80分鐘。
[0020] 本發明的原理：
[0021] 本發明將磷酸三鈣引入到陶瓷坯料中，一方面作為鈣質元素的來源，在燒成過程 中生成鈣長石，同時鈣質元素的引入，能夠降低陶瓷燒成過程中液相出現的溫度，改變高溫 熔體的理化性質，有助于石英和鱗片狀、顆粒狀的一次莫來石的熔融，進而生成針狀的二次 莫來石，從而可以在較低溫度下形成優異的晶體結構：較多的針狀莫來石和鈣長石晶體，少 量方石英；另一方面作為磷元素的來源，在產品中生成Si-o系和p-o系復合玻璃相，石英在 P-Ο系玻璃中的熔融溫度相對Si-o系玻璃低50°C?200°C，可進一步加速方石英的熔融和 二次莫來石、鈣長石的生成。最終形成以針狀莫來石和鈣長石為主晶相、Si-Ο系和P-Ο系 復合玻璃相的顯微結構，各相之間熱膨脹系數相匹配，能夠減少陶瓷燒成過程中顯微裂紋 的產生，顯著提高陶瓷產品的抗沖擊韌性和強度。
[0022] 本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：
[0023] (1)本發明利用磷酸三鈣提供了鈣和磷，在陶瓷燒成過程中生成鈣長石以及Si-0 系和P-Ο系復合玻璃相，可以大幅度提高陶瓷產品的抗沖擊韌性。鈣質元素的引入降低了 燒成過程中液相出現的溫度，改變了高溫液相的理化性質，加快石英的熔融和針狀二次莫 來石的生成；同時方石英在P-o系玻璃中的熔融溫度相對Si-o系玻璃低50°C?200°C，進 一步加速了石英的熔融，從而陶瓷產品可以在較低溫度下形成優異的顯微結構：以針狀莫 來石和鈣長石為主晶相，方石英為次晶相，Si-Ο系和P-Ο系復合玻璃為粘結相。
[0024] (2)本發明引入磷酸三鈣后燒成的陶瓷產品主晶相之間、主晶相和玻璃相之間熱 膨脹系數相匹配，能夠顯著減少燒成過程中微裂紋的產生，從而提高陶瓷產品的熱穩定性 和強度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[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。

【具體實施方式】
[0030] 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。
[0031] 實施例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，將磷酸三鈣15%和陶瓷坯料85% (化學組成見表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、混合物料及水的質量比為：磨 球：混合物料：水=1. 2:1:0. 8,球磨時間為2h ;
[0034] (2)將步驟⑴的漿料過100目篩，于100°C干燥24h，研磨成粉末，再過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燒成，控制燒成溫度為1180°C，保溫時間為60分鐘，制得 陶瓷樣品；
[0036] 表1陶瓷坯料化學組成（wt % )
[0037]

【權利要求】
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)所得漿料過篩、烘干，研磨成粉末，再過篩、干壓成型、保壓，制得陶瓷生 坯； (3) 將所述陶瓷生坯于窯爐內燒成，制得高韌性陶瓷。
2. 根據權利要求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量的5%?15%。
3. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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，保壓時間為1分鐘。
6. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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間為60?90分鐘。
9. 根據權利要求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間為70?80分鐘。
【文檔編號】C04B35/185GK104140255SQ201410371323
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】張志杰, 張捷, 劉平安, 鐘明峰 申請人:華南理工大學