低晶化熔融石英陶瓷材料制备技术

所属科学技术领域：特种结构材料；耐火材料

主要技术内容： 以熔融石英粉体为原料制备的熔融石英陶瓷具有耐高温、低热膨胀、抗化学侵蚀强、抗热震好、高温熔体耐气流冲刷等优良性能，在冶金、玻璃、导弹天线罩等领域应用广泛。然而，在高温环境作用下，因构成熔融石英陶瓷的微细熔融石英颗粒表面能量高，微细熔融石英颗粒更易晶化为方石英。方石英析出及高低温方石英（α-方石英、β-方石英）晶型转变带来的体积效应使其机械强度降低，并导致该材料低膨胀性能降低，严重影响其耐高温及抗热震性能。

该项目针对熔融石英的高温晶化危害问题，运用添加剂晶界钉扎和助烧结理论，进行了低晶化熔融石英陶瓷材料制备技术开发研究。

主要技术发明点： 1. 以微米级的Yb₂O₃、Er₂O₃、Nd₂O₃、MgO、Al₂O₃等氧化物为添加剂，利用氧化物与熔融石英粉体高温化合、促烧结及晶界钉扎等作用，获得了含氧化物的低晶化、高强度及使用温度高的熔融石英陶瓷材料制备技术。 2. 以nano-ZnO、nano-Yb₂O₃、nano-La₂O₃等纳米氧化物为添加剂，与熔融石英粉体颗粒结合后，发挥其熔点低、活性高、助熔性强及对熔融石英微观网络结构修复作用，获得了含纳米氧化物的熔融石英陶瓷材料制备技术。其制品强度最高可达50 MPa，膨胀率仅为0.02%。 3. 以微米级的SiC-Si₃N₄、B₄C-Si₃N₄、BN-B₄C等复合非氧化物及Si₃N₄-Y₂O₃、Si₃N₄-Nd₂O₃等非氧化物-氧化物为复合添加剂，充分利用非氧化物高温氧化及多种添加剂与熔融石英粉体的协同作用，获得了含复合添加剂高性能熔融石英陶瓷材料制备技术。

技术经济指标： 引入氧化物、稀土氧化物、纳米颗粒复合氧化物、非氧化物-氧化物、复合非氧化物等添加剂试样与空白对比试样相比，熔融石英陶瓷材料的烧结性能提高20%以上，最大提高幅度150%；热膨胀率减小20%以上，最大减小幅度90%。

推广应用及效益情况： 自2010年1月至2014年12月，唐山市科硕特种陶瓷制造有限公司和唐山市国亮特殊耐火材料有限公司，将引入晶化抑制剂的低晶化熔融石英陶瓷材料制备技术应用于玻璃退火炉用空心陶瓷辊、钢铁连铸系统用耐火材料等特种陶瓷（耐火材料）生产过程。改善了企业的产品结构，提升了企业的市场竞争力。该产品技术应用为企业新增1047万元的经济效益。

该项目获得发明专利7项，发表论文7篇，其中2篇被SCI收录，培养硕士研究生6人。

推动科技进步的作用： 解决了熔融石英陶瓷材料使用温度低的问题，将其烧成及使用温度提高至1300℃以上，拓宽了该材料在特种结构材料领域的应用范围。解决了熔融石英陶瓷材料在1300～1350℃因析晶引起的热膨胀系数增大、抗热震性差、机械强度低等问题，提高了该材料的使用寿命。

所属科学技术领域：特种结构材料；耐火材料主要技术内容：以熔融石英粉体为原料制备的熔融石英陶瓷具有耐高温、低热膨胀、抗化学侵蚀强、抗热震好、高温熔体耐气流冲刷等优良性能，在冶金、玻璃、导弹天线罩等领域应用广泛。然而在高温环境作用下，因构成熔融石英陶瓷的微细熔融石英颗粒表面能量高，微细熔融石英颗粒更易晶化为方石英，方石英析出及高低温方石英(α-方石英β方石英)晶型转变带来的体积效应使其机械强度降低，并导致该材料低膨胀性能降低，严重影响其耐高温及抗热震性能。该项目针对熔融石英的高温晶化危害问题，运用添加剂晶界钉扎和助烧结理论，进行了低晶化熔融石英陶瓷材料制备技术开发研究。主要技术发明点：以微米级的Yb<,2>O<,3>、Er<,2>O<,3>、Nd<,2>O<,3>、MgO、Al<,2>O<,3>等氧化物为添加剂，利用氧化物与熔融石英粉体高温化合、促烧结及晶界钉扎等作用，获得了含氧化物的低晶化、高强度及使用温度高的熔融石英陶瓷材料制备技术。以nano-ZnO、nano-Yb<,2>O<,3>、nano-La<,2>O<,3>等纳米氧化物为添加剂，与熔融石英粉体颗粒结合后，发挥其熔点低、活性高、助熔性强及对熔融石英微观网络结构修复作用，获得了含纳米氧化物的熔融石英陶瓷材料制备技术，其制品强度最高可达50 MPa,膨胀率仅为0.02%。以微米级的SiC-Si<,3>N<,4>、B<,4>C-Si<,3>N<,4>、BN-B<,4>C等复合非氧化物及Si<,3>N<,4>-Y<,2>O<,3>、Si<,3>N<,4>-Nd<,2>O<,3>等非氧化物-氧化物为复合添加剂，充分利用非氧化物高温氧化及多种添加剂与熔融石英粉体的协同作用，获得了含复合添加剂高性能熔融石英陶瓷材料制备技术。技术经济指标：引入氧化物、稀土氧化物、纳米颗粒复合氧化物、非氧化物-氧化物、复合非氧化物等添加剂试样与空白对比试样相比，熔融石英陶瓷材料的烧结性能提高20%以上，最大提高幅度150%；热膨胀率减小20%以上，最大减小幅度90%。推广应用及效益情况：自2010年1月至2014年12月，唐山市科硕特种陶瓷制造有限公司和唐山市国亮特殊耐火材料有限公司，将引入晶化抑制剂的低晶化熔融石英陶瓷材料制备技术应用于玻璃退火炉用空心陶瓷辊、钢铁连铸系统用耐火材料等特种陶瓷(耐火材料)生产过程。改善了企业的产品结构，提升了企业的市场竞争力。该产品技术应用为企业新增1047万元的经济效益。该项目获得发明专利7项，发表论文7篇其中2篇被SCI收录，培养硕士研究生6人。推动科技进步的作用：解决了熔融石英陶瓷材料使用温度低的问题，将其烧成及使用温度提高至1300℃以上，拓宽了该材料在特种结构材料领域的应用范围。解决了熔融石英陶瓷材料在1300～1350℃因析晶引起的热膨胀系数增大、抗热震性差、机械强度低等问题，提高了该材料的使用寿命。