一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷为CaO–MgO–Al2O3–SiO2系玻璃陶瓷，采用熔融浇铸成型，并通过在工业微波炉中进行析晶处理制备而成。原料以重量百分比计计量后加入球磨混料机混匀，将混合物在1350～1450℃熔化；玻璃液浇铸成型后放入600℃的马弗炉中进行退火处理；退火后，在2.45GHz多模微波炉中添加粒状活性炭辅助进行晶化处理，得到纳米线均匀分布的玻璃陶瓷材料。本发明专利技术产品性能良好，应用范围广，可根据工况使用条件进行定制，可满足特殊要求的玻璃陶瓷，且生产成本较低，可大规模工业化生产，用途较广。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种玻璃陶瓷及其制备方法，具体涉及一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷及其制备方法。
技术介绍
玻璃陶瓷是指将添有适量形核剂的特定组分的基础玻璃配合料经熔融，并通过控制析晶制备而成的具有一种或多种微晶相和玻璃相组成的复相材料。其结构中的微晶体尺寸比一般结晶材料要小得多，一般不超过2μm，这种没有孔隙的细小晶粒的均匀结构，使得玻璃陶瓷具有高机械强度和良好的绝缘性能。玻璃陶瓷中微晶相的数量通常为50％～90％，玻璃相的数量从10％到50％左右，其分布状态随微晶相和玻璃相的比例而定。玻璃陶瓷中微晶相的形态、数量、组成等将对玻璃陶瓷材料性能产生非常重要的影响。玻璃陶瓷既具有陶瓷的多晶特征，又有玻璃的基本性能，集中了陶瓷和玻璃的特点，成为了一类独特的新型材料。这种独特的结构使它具有了陶瓷和玻璃的双重特性，集中了二者的优点，比如：高机械强度、优越的耐磨性能、耐候性能强、较宽的热膨胀系数、介电常数可调、化学稳定性好、抗热震性能好等特点。然而，由于玻璃陶瓷本质上属于脆性材料，较小的断裂韧性极大地限制了其进一步的产业化应用和推广。因此，断裂韧性的提高无疑将极大地拓宽玻璃陶瓷在各个领域的应用。绝大多数无机材料的断裂韧性值都是比较低的，而无机材料断裂韧性较低的原因主要是：在裂纹扩展的过程中，传统的无机材料除了形成新的表面能够明显消耗部分能量之外，几乎没有任何其他可以显著消耗裂纹能量的机制。因此无机材料的增韧设计实质上就是通过调整材料的显微结构，从而进一步提高材料的裂纹扩展阻力以达到增韧的目的。最近几年研究人员关于玻璃陶瓷增韧的研究主要侧重在三方面：表面强化增韧、第二相复合增韧和自增韧。其中，表面强化增韧是指通过对玻璃陶瓷表面进行处理来弥补表面缺陷，进而增韧玻璃陶瓷的方法。第二相复合增韧是在玻璃陶瓷基体中复合具有良好的力学性能的颗粒、纤维或者是晶须从而达到增韧效果。自增韧则是通过改变原料，通过控制反应过程生成第二相，最终增韧玻璃陶瓷。这种方法虽然与纤维/晶须增韧方法类似，但是能够避免出现类似两相不相容以及分布不均匀的问题，同时能够降低成本。与此同时，对反应条件、过程和热处理制度的调控则成为难点。Rozenstrauha等人就曾在制备玻璃陶瓷过程中在玻璃基体中得到长柱状辉石相并达到自增韧的效果。另外，微波作为一种频率范围在300MHz～300GHz的电磁波，由于微波辐射具有体积加热、选择性加热、快速加热、节能降耗及绿色环保等优越特性，已被广泛应用于玻璃陶瓷材料的热处理或制备之中。但利用微波技术制备纳米线自增韧玻璃陶瓷，尚未见报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷基体中分布有长短不一的纳米线晶体，能够阻碍裂纹扩展，从而达到增韧效果。且该玻璃陶瓷生产成本低廉、制备方法简单、应用范围广泛。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷，玻璃陶瓷的基体中分布有0.1～2000nm的纳米线晶体，该纳米线晶体主要组成元素包括Si、O、Ca、Mg、Al、Fe、Cr和Na。玻璃陶瓷为CaO-MgO-Al2O3-SiO2系。玻璃陶瓷的基础配方成分包括(以重量百分比计)：45～55％SiO2、15～25％CaO、5.5～7.5％MgO、7～11.5％Al2O3、6.5～9.5％Fe2O3、2～5％Na2CO3、0.2～0.6％Cr2O3。一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷的制备方法，按照基础配方计算原料，称重后置于球磨机中混合均匀，将混合料高温熔融后浇铸到已预热的钢模中成型，随后放入马弗炉中退火；再将退火玻璃放入微波炉中进行析晶处理，调节微波炉输出功率，并添加辅助加热介质，得到玻璃陶瓷基体中分布有纳米线晶体的自增韧玻璃陶瓷材料。优选的，所用原料为含有玻璃陶瓷基体成分(如CaO、MgO、Al2O3、SiO2等)的尾矿、粉煤灰、冶炼渣等工业固体废弃物，再根据基础配方补加不足成分。混合料高温熔融的温度为1350～1550℃；钢模的预热温度为350～550℃；退火温度为450～600℃，保温时间为3～5h；析晶温度为620～820℃，保温时间为0～2h。添加辅助加热介质为以尺寸为0.1～800mm的粒状活性炭为辅助加热介质，将退火玻璃浸没在尺寸为0.1～800mm的粒状活性炭中。微波炉的频率为2.45GHz；调节输出功率为2～4kW。本专利技术有益效果：本专利技术利用微波电磁场与材料相互作用的独特优势，以不同尺寸的粒状活性炭为辅助加热介质，通过调节微波输出功率，成功地制备出基体中分布有尺寸0.1～2000nm纳米线晶体的玻璃陶瓷，该纳米线晶体能够阻碍裂纹扩展，从而达到增韧效果。且相对于无纳米线的玻璃陶瓷，本专利技术具有纳米线的玻璃陶瓷具有更好的硬度、弹性模量和剪切模量。本专利技术玻璃陶瓷生产成本低廉、制备方法简单，极大地拓宽了玻璃陶瓷在各个领域的应用。附图说明图1为实施例1所制备的纳米线自增韧玻璃陶瓷的显微形貌图。图2为实施例2所制备的纳米线自增韧玻璃陶瓷的显微形貌图。图3为实施例3所制备的纳米线自增韧玻璃陶瓷的显微形貌图。图4为实施例3所制备的玻璃陶瓷中纳米线晶体的能谱图谱。图5为对比例所制备的无纳米线玻璃陶瓷的显微形貌图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。实施例1本专利技术具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1、按53.9wt％SiO2、15.6wt％CaO、7.2wt％MgO、9.2wt％Al2O3、9.1wt％Fe2O3、4.5wt％Na2CO3和0.5wt％Cr2O3的比例称量原料，并加入球磨混料机混合均匀；2、将混合料在1450℃熔融后浇铸到已预热到550℃的钢模中成型，随后放入600℃的马弗炉中退火处理3h；3、将退火玻璃放入坩埚中，加入尺寸为50mm的粒状活性炭浸没退火玻璃，然后置入2.45GHz微波炉中，调节微波炉输出功率为3kW，进行析晶处理，析晶温度为620℃，保温时间为2h，然后随炉冷却，得到尺寸为10～100nm的纳米线均匀分布的玻璃陶瓷材料。所制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷的显微形貌图见图1。从图1中可以看出，尺寸为10～100nm的纳米线晶体分布在玻璃陶瓷基体上。实施例2本专利技术具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1、按53.5wt％SiO2、16.5wt％CaO、7.0wt％MgO、9.5wt％Al2O3、8.5wt％Fe2O3、4.5wt％Na2CO3和0.5wt％Cr2O3的比例称量原料，并加入球磨混料机混合均匀；2、将混合料在1450℃熔融后浇铸到已预热到450℃的钢模中成型，随后放入600℃的马弗炉中退火处理4h；3、将退火玻璃放入坩埚中，加入尺寸为100mm的粒状活性炭浸没退火玻璃，然后置入2.45GHz微波炉中，调节微波炉输出功率为3.5kW，进行析晶处理，析晶温度为720℃，保温时间为1h，然后随炉冷却，得到尺寸为0.2～1.0μm的纳米线均匀分布的玻璃陶瓷材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷，其特征在于，所述的玻璃陶瓷的基体中分布有0.1～2000nm的纳米线晶体，该纳米线晶体主要组成元素包括Si、O、Ca、Mg、Al、Fe、Cr和Na。

【技术特征摘要】
1.一种利用微波技术制备的具有纳米线晶体结构的自增韧玻璃陶瓷，其特征在于，所述的玻璃陶瓷的基体中分布有0.1～2000nm的纳米线晶体，该纳米线晶体主要组成元素包括Si、O、Ca、Mg、Al、Fe、Cr和Na。2.根据权利要求1所述的自增韧玻璃陶瓷，其特征在于，所述的玻璃陶瓷为CaO-MgO-Al2O3-SiO2系。3.根据权利要求1所述的自增韧玻璃陶瓷，其特征在于，所述的玻璃陶瓷的基础配方成分包括(以重量百分比计)：45～55％SiO2、15～25％CaO、5.5～7.5％MgO、7～11.5％Al2O3、6.5～9.5％Fe2O3、2～5％Na2CO3、0.2～0.6％Cr2O3。4.一种如权利要求1-3任一项所述的自增韧玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，按照基础配方计算原料，称重后置于球磨机中混合均匀，将混合料高温熔融后浇铸到已预热的钢模中成型，随后放入马弗炉中退火；再将退火玻璃放入微波炉中进行析晶处...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红霞，李保卫，徐鹏飞，刘中兴，董云芳，胡庆成，杜永胜，欧阳顺利，邓磊波，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15