用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法及功能化熔融石英粉技术

本发明专利技术公开了一种用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法及功能化熔融石英粉。本发明专利技术利用蔗糖热分解后的产物为碳源，在氮气的氛围中，通过碳热氮化还原反应在熔融石英粉表面原位自生形成烧结助剂，将所得功能化熔融石英粉用于熔融陶瓷制备成型时，与机械加入烧结助剂相比，其可在基体中分布更加均匀，同时，由于在功能化处理的过程中可以消耗熔融粉末中的微量氧元素，在一定程度上抑制了析晶现象，应用本发明专利技术所得功能化熔融石英粉末制备得到的熔融石英陶瓷体积密度为1.96g/cm

Preparation method of functional fused quartz powder for quartz ceramics and functional fused silica powder

The invention discloses a method for preparing a functional fused silica powder for the preparation of quartz ceramics and a functional fused silica powder. The invention uses the thermal decomposition product of sucrose as the carbon source, nitrogen gas in the atmosphere, the reaction in fused silica powder surface in situ formed by carbothermal reduction and nitridation sintering additives, the functionalization of fused silica powder for molten ceramic molding, compared with mechanical adding sintering aids, its distribution more uniform. In the matrix at the same time, the process of treatment in functional elements can consume trace oxygen in molten powder, to some extent inhibited the crystallization phenomenon, the application of functionalized fused silica powder preparation by molten quartz ceramic volume density of 1.96g/cm

【技术实现步骤摘要】
用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法及功能化熔融石英粉
本专利技术涉及石英陶瓷制备
，更具体地，涉及一种用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法及功能化熔融石英粉。
技术介绍
石英陶瓷，具有导热性差、膨胀系数小、耐高温、热稳定性好、且成本较低等优点，已被广泛地应用到冶金、建材、化工、国防、科研等领域。石英陶瓷有两种：一种是用晶态石英（石英砂或水晶）在1600℃下制备所得，另一种是用粉碎后的熔融石英，在1200℃下制备所得的熔融石英陶瓷。熔融石英陶瓷与其它结构陶瓷相比，存在体积密度低和力学性能差的缺陷，这是由于烧结过程中有机单体的缺失，造成成型坯体均匀性差、体积密度低，气孔大所致。现有工艺研究表明，引入烧结助剂可以有效改进熔融石英陶瓷坯体致密度低的问题，其中最常用的烧结助剂为氮化硅。当前引入烧结助剂氮化硅的方式主要为机械添加氮化硅粉末，但是机械添加氮化硅在大工业生产中存在混合不均匀、以及烧结温度高易导致熔融石英晶化。因此，能在保证熔融石英陶瓷均一性、致密度的情况下，同时防止熔融石英烧结成型过程析晶一直是本领域研究人员关注的重点。授权公告号为CN103342547B的专利技术专利，公开了一种制备高致密度熔融石英陶瓷的方法，先用盐酸作为正硅酸乙酯水解催化剂产生硅溶胶，然后加入超分散好的熔融石英粉末，通过搅拌实现表面同质溶胶的均匀包覆，包覆好的熔融石英陶瓷粉末经压制烧结后得到了致密度提高的熔融石英陶瓷，但是包覆过程中使用的催化剂盐酸，会引入难以清除的微量杂质氯，且通过搅拌实现溶胶对粉末均匀包覆，存在一定的局限性，难以适应工业化大生产要求。专利技术内容本专利技术要解决的技术问题是针对现有制备石英陶瓷技术不足，提供一种适用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法。本专利技术同时提供一种用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，包括以下步骤：S1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S2.配制一定浓度的糖溶液做为碳源，与步骤S1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S3.将步骤S2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S4.将步骤S3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S5.将步骤S4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。在石英陶瓷成型中机械加入一定量的氮化硅粉末能有效改进熔融石英陶瓷致密性，其基本原理主要是氮化硅在烧结过程中，会被氧气氧化，生成液相的二氧化硅从而填充基体的孔隙，达到致密化，同时由于氮元素可以降低熔融石英粉末的氧含量，从而可以在一定程度下抑制熔融石英粉末析晶。基于以上理论基础，本专利技术创造性地改变机械加入的方式，以熔融石英粉末为主要原料，让其原位自生预处理引进氮元素，其存在的化合物形式可能是氮化硅或者氧氮硅，采用热力学计算软件HSC5.0可计算可得，SiO2-C-N体系的碳热氮化反应中，可能存在以下化学反应：3SiO2(S)+3C(S)+2N2(g)=Si3N4(s)+3CO2(g)（1）3SiO2(S)+6C(s)+2N2(g)=Si3N4(s)+6CO(g)(2)SiO2(s)+2C(s)=SiC(s)+CO2(g）(3)SiO2(s)+3C(s)=SiC(s)+2CO(g)(4)2SiO2(s)+3C(s)+N2(g)=Si2N2O(s)+3CO(g)(5)采用热力学计算软件HSC5.0可计算出反应方程式（1）-（5）的温度-自由焓，结果如附图1所示：从温度-反应自由焓的曲线图可以知道，反应（1）、反应（3）吉布斯自由能都大于0，说明不发生反应，其中反应（2）、反应（4）、反应（5）均随着温度的升高反应驱动力增大，其中反应（2）、反应（4）、反应（5）在1400～1600之间吉布斯自由能小于0，意味着此温度区间反应开始进行。碳热还原氮化反应影响因素主要是温度和氮气分压，这些反应的进行不仅要满足热力学条件，还需要满足动力学条件。其反应可以看做SiO2先被C还原：SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)。本专利技术的主要目的是引进氮元素，所以一定要避免SiC的产生，相关文献研究结果表明,SiC的生成要求SiO的气体分压大于一定数值(约0.1～1ｋＰａ)。而在氮气气氛中,因为SiO气体一般与氮气优先发生如下反应:3SiO(g)+3C(s)+2N2(g)=Si3N4(s)+3CO(g)，所以在保证氮气充足的情况下，SiC在1400～1600℃也很难产生。在上述理论原理的基础上进行实际实验总结和分析：采用石墨粉作为碳源，与二氧化硅一起装入石墨坩埚，以SiC片作为辅热，放入微波反应炉，然后抽真空，以5L/min动态流量通氮气、保证反应具有充足的氮气，以10℃/min的升温速率升至1200℃，保温90min，对所得产物进行X射线衍射分析，结果如图2所示，可知：有一定量的氮化硅和氧氮硅生成，并且未能检测到碳化硅的存在，说本专利技术制备方法理论原理成立。优选地，S1所述熔融石英粉末的粒度不大于0.074mm，即能通过200目筛的粉末。优选地，S2所述糖溶液可以为蔗糖溶液或者果糖溶液，所述糖溶液的浓度为0.35mol/L。所述糖溶液与熔融石英粉的摩尔配比为1:3。优选地，S2所述烘干温度为70～100℃，烘干时为20～36h。进一步优选地，S2所述烘干温度为80℃，烘干时为36h。优选地，S3所述高温气氛炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至500～900℃，后保温0.5～1h。更优选地，S3所述高温气氛炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至700℃，后保温1h。优选地，S4所述氮气流速大于5L/min，所述碳热氮化还原反应采用微波炉作为反应容器，所述微波反应炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至900～1100℃，后保温0.5～1.5h。更优选地，S4所述氮气流速为5L/min，所述微波反应炉温度控制程序设置为，以10℃/min的升温速率至1050℃，后保温1.5h。优选地，S5所述马弗炉加热处理温度为600℃，时间为2h。本专利技术同时提供所述用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，制备得到用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉。本专利技术的有益效果：本专利技术创造性地利用热分解后的糖作为碳源，在氮气的氛围中，通过碳热氮化还原反应以熔融石英粉制备得到一种新的烧结助剂—功能化熔融石英粉。所述功能化熔融石英粉可以很好地用于熔融陶瓷制备成型，与机械加入氮化硅或者其它助剂相比，其可在基体中分布更加均匀，能获得致密度更好的熔融石英陶瓷，由于在功能化处理的过程中消耗粉末中的微量氧元素，可以在一定程度上抑制方石英的产生，同时运用蔗糖热分解后的碳做为碳源降低了氮还原反应温度，不仅获得了意想不到的技术效果，而且实现了低能耗和经济环保。应用所得功能化的熔融石英粉末经过料浆制备、注凝脱模、烧结成型步骤所得的熔融石英陶瓷致密度得到了显著提高，并且机械强度也得到了提升，所得陶瓷的致密度和室温抗弯折强度得到了提高，所得到的熔融石英陶瓷体积密度为1.96g/cm3、抗折强度达到了47.6Mpa。本专利技术工艺方法操作简单稳定、节能高效且所用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S2.配制一定浓度的糖溶液作为碳源，与步骤S1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S3.将步骤S2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S4.将步骤S3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S5.将步骤S4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。

【技术特征摘要】
1.一种用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将熔融石英颗粒球磨成粉末得熔融石英粉；S2.配制一定浓度的糖溶液作为碳源，与步骤S1所得熔融石英粉以一定物质的量配比混合均匀，烘干；S3.将步骤S2所得混合物置于高温气氛炉中，在氮气保护下，进行糖热分解；S4.将步骤S3糖热分解所得粉末在真空条件下，通入氮气，进行碳热氮化还原反应；S5.将步骤S4碳热氮化还原反应所得粉末加热处理，得到所述功能化熔融石英粉。2.根据权利要求1所述的用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其特征在于，步骤S1所述熔融石英粉末的粒度不大于0.074mm。3.根据权利要求1所述的用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其特征在于，步骤S2所述糖溶液为蔗糖溶液或者果糖溶液，所述糖溶液的浓度为0.35mol/L；更进一步地，S2所述糖溶液为蔗糖溶液。4.根据权利要求1所述的用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其特征在于，步骤S2所述糖溶液与熔融石英粉的摩尔配比为1:3，所述烘干温度为70～100℃，烘干时间为20～36h。5.根据权利要求4所述的用于石英陶瓷制备的功能化熔融石英粉的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯清麟，侯熠徽，田靓，贺思慧，张浩益，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43