一种复合结构的氧化锆耐火制品制造技术

本发明专利技术属于耐火材料领域，提出一种复合结构的氧化锆耐火制品，提出的一种复合结构的氧化锆耐火制品作为蓝宝石晶体生长炉炉衬材料，由氧化锆颗粒、氧化锆细粉和氧化锆微粉构成；氧化锆耐火制品的使用中存在温度梯度，制品表面近炉体中心的一面温度高作为热面，远离炉体中心的一面温度较低作为冷面；所述氧化锆耐火制品的热面表层为氮化铝层与氧化锆耐火制品的基体形成的复合结构。本发明专利技术提阻止了氧化铝蒸汽向氧化锆耐火制品中渗透，提高了氧化锆耐火制品在蓝宝石晶体生长炉中的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于耐火材料领域，提出一种复合结构的氧化锆耐火制品，提出的一种复合结构的氧化锆耐火制品作为蓝宝石晶体生长炉炉衬材料，由氧化锆颗粒、氧化锆细粉和氧化锆微粉构成；氧化锆耐火制品的使用中存在温度梯度，制品表面近炉体中心的一面温度高作为热面，远离炉体中心的一面温度较低作为冷面；所述氧化锆耐火制品的热面表层为氮化铝层与氧化锆耐火制品的基体形成的复合结构。本专利技术提阻止了氧化铝蒸汽向氧化锆耐火制品中渗透，提高了氧化锆耐火制品在蓝宝石晶体生长炉中的使用寿命。【专利说明】一种复合结构的氧化错耐火制品
本专利技术属于耐火材料领域，主要涉及一种复合结构的氧化锆耐火制品。
技术介绍
氧化锆是一种重要的耐火原料，熔点高达2715°C，理化性能优异。许多耐火材料为提高使用性能，均添加一定量的氧化锆如电熔AZS砖、Al2O3-ZrO2-C砖、Cr2O3-Al2O3-ZrO2砖坐寸ο高纯氧化锆耐火制品通常是指氧化锆(包含稳定剂)含量在98%以上的耐火制品，其以氧化锆颗粒或氧化锆空心球、氧化锆细粉、稳定剂、结合剂等为原料，通过熔铸、浇注、机压、等静压、捣打等成型手段制备所需形状的耐火制品。与含锆耐火材料相比，高纯氧化锆耐火材料具有使用温度高(最高使用温度2300~2400°C)、高温下不易分解、化学稳定性好等优点，是一种高性能耐火制品。高纯氧化锆耐火制品分为氧化锆空心球制品和氧化锆重质制品。氧化锆空心球制品所使用的颗粒料(骨料，粒度大于0.1mm)主要物质是氧化锆空心球，该类氧化锆空心球是通过高压空气喷吹氧化锆熔液制得，氧化锆空心球制品由于具有较高的气孔率(≥50%)，因而具有较低的热导率，主要用于1800°C以上的保温隔热。氧化锆重质制品所使用的颗粒料(骨料，粒度大于0.1mm)主要物质是氧化锆电熔颗粒(非空心球)，该类氧化锆电熔颗粒是通过电熔氧化锆熔液冷却后破碎制得，氧化锆重质制品具有结构强度高、耐侵蚀、抗冲刷、使用温度更高(一般较氧化锆空心球制品安全使用温度高约2000°C)，主要用于1800°C以上高温反应衬里和2000°C以上的保温隔热。蓝宝石(a - Al2O3 )属六方晶系,最高工作温度可以达到1900°C。目前以其特殊的物理化学性质、价格优势和晶体尺寸而成为光电子和微电子产业中用量最大的无机氧化物晶体材料，尤其是在本世纪的固体光源革命中，以蓝宝石为衬底的GaN基蓝绿光LED产业的大力发展，不断推动着对蓝宝石生长技术和晶体质量的研究。此外，由于蓝宝石晶体易于获得大尺寸单晶，而且其热噪音仅为石英玻璃的1.9倍，模式因子Q比石英玻璃高两个数量级，故以蓝宝石晶体作为干涉仪光学介质将极大地提高光学灵敏度。高光学质量和大尺寸蓝宝石晶体生长技术仍然是产业界探索和研究的热点内容之一。泡生法是目前可获得高质量的蓝宝石大晶体的成熟方法之一。其晶体生长的原理和技术特点是:将晶体原料放入耐高温的钨钥坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于稍高于熔点的状态；使籽晶杆上的籽晶接触熔融液面，待其表面稍熔后，降低表面温度至熔点，提拉并转动籽晶杆，使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉的过程中，生长出圆柱状晶体。采用泡生法可生长大直径、高质量、无色蓝宝石晶体，其操作工艺概述如下: 1)将纯净的Al2O3原料装入坩埚中； 2)将坩埚加热到2050°C以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中； 3)控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少量籽晶以保证晶体能在清洁的籽晶表面上生长；4)在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转动籽晶杆；控制拉速和转速，籽晶逐渐长大； 5)小心地调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体生长的缩颈-扩肩-等径生长-收尾全过程。 蓝宝石长晶炉是整个晶体生长的装置，钨钥合金坩埚安置在炉体中央，坩埚外用钨钥合金作为发热元件进行电阻加热，钨钥发热元件外围采用氧化锆耐火材料作为保温衬里，阻止热量的散失，氧化锆耐火材料外设置有金属保温屏以及水冷却系统。整个上述装置被安放在一个外罩内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中需要的气体和压强。蓝宝石长晶炉工作过程中钨坩埚内氧化铝原料被加热到2050°C以上，炉内抽真空形成一定负压，该状况下氧化铝容易形成蒸汽。而为了提高炉衬的抗热震性，同时降低热导率，作为宝石长晶炉的氧化锆耐火制品一般具有较高的气孔率。氧化铝蒸汽不仅容易在温度较低的氧化砖表面冷凝黏附，而且氧化锆制品较高的气孔率也导致了氧化铝蒸汽向氧化锆材料内部的渗入。随着氧化锆中氧化铝含量的提高，二者固溶形成液相的温度点降低，侵入氧化铝的氧化锆耐火制品的微观结构遭受破坏，宏观表现为氧化锆制品表面龟裂、熔蚀、热震断裂，且导热系数增大，保温效果降低。因此，防止氧化铝蒸汽在氧化锆制品表面的黏附以及降低其向氧化锆制品中的渗入，是提高宝石长晶炉等超高温工业炉用氧化锆耐火制品寿命的有效途径之一。氮化铝(AlN)是一种类金刚石氮化物，最高可稳定到2200°C，导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。具有良好的不润湿性，抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝粉末纯度高，粒径小，活性大，是制造高导热氮化铝陶瓷基片的主要原料。氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。氮化铝室温下与水缓慢反应，高温下化学性质稳定，不与氧化铝、氧化锆等物质发生反应。可由铝粉在氨或氮气氛中80(T100(TC合成，产物为白色到灰蓝色粉末；或由Al2O3-C-N2体系在160(Tl750°C反应合成，产物为灰白色粉末；或氯化铝与氨经气相反应制得，涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成。为有效提高超高温下氧化锆制品的使用寿命，特别是宝石长晶炉用氧化锆耐火制品的寿命，减少氧化铝蒸汽对氧化锆材料的侵蚀渗透，同时又不降低原有氧化锆材料的性能，如纯度、致密度、热导率等，对氧化锆制品进行表面改性处理是其中的关键手段之一。宝石长晶炉工作为真空或惰性气氛，而且对于某些蓝宝石生产工艺，直接采用氮气作为保护气体，工作温度2050°C以上，无水蒸气等，这些都为氮化铝的应用提供了条件。
技术实现思路
本专利技术通过对蓝宝石晶体生长炉用耐火材料的损毁分析，提出了一种复合结构的氧化锆耐火制品，使其能通过使氧化锆基体表面形成保护层，阻止氧化铝蒸汽向氧化锆耐火材料中的渗透，以达到提高氧化锆耐火材料在蓝宝石晶体生长炉中使用寿命的目的；本专利技术中所述氧化锆耐火制品的制备工艺为现有技术中已经使用的成熟技术。本专利技术为完成其专利技术任务采用如下技术方案: 一种复合结构的氧化锆耐火制品，作为蓝宝石晶体生长炉炉衬材料的氧化锆耐火制品中ZrO2含量> 98wt%，所述ZrO2的含量包含稳定剂；所述氧化锆耐火制品原料是由氧化锆颗粒、氧化锆细粉和氧化锆微粉构成；氧化锆耐火制品的使用中存在温度梯度，制品表面近炉体中心的一面温度高作为热面，远离炉体中心的一面温度较低作为冷面；所述氧化锆耐火制品的热面表层为氮化铝层与氧化锆耐火制品的基体形成的复合结构；所述的氮化铝层由金属铝粉浆料在氮气气氛下热处理制得，或由氮化铝浆料在氮气气氛下热处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合结构的氧化锆耐火制品，作为蓝宝石晶体生长炉炉衬材料的氧化锆耐火制品中ZrO2含量≥98wt%，所述ZrO2的含量包含稳定剂；所述氧化锆耐火制品原料是由氧化锆颗粒、氧化锆细粉和氧化锆微粉构成；氧化锆耐火制品的使用中存在温度梯度，制品表面近炉体中心的一面温度高作为热面，远离炉体中心的一面温度较低作为冷面；其特征在于：所述氧化锆耐火制品的热面表层为氮化铝层与氧化锆耐火制品的基体形成的复合结构；所述的氮化铝层由金属铝粉浆料在氮气气氛下热处理制得，或由氮化铝浆料在氮气气氛下热处理或氢气条件下热处理制得，或由金属铝和氮化铝混合浆料在氮气气氛下热处理制得，其厚度为0.1mm~2mm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：耿可明，胡飘，石鹏坤，李宗泰，谭清华，孙红刚，闫双志，冯志源，
申请(专利权)人：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41