制备莫来石晶须的配方及方法.pdf

本发明涉及一种熔制备莫来石晶须的配方及方法，配方原料组成及重量百分比是：无水硫酸铝25.5-29.7％，无定形二氧化硅4.3-8.5％，无水硫酸钠66.0％。将配料采用机械球磨法，以高纯氧化锆球进行干磨，获得混合均匀的粉料，在1001-1050℃加热并保温6-8h，冷却后水洗除去硫酸钠，烘干获得产物莫来石晶须；将的产物加入氢氟酸，氢氟酸与产物体积比0.5-2∶1，氢氟酸浓度5-15％，浸洗时间10-60min，再加入乙醇溶解SiF4杂质，浸洗时间10-60min，过滤后得到产物。通过改变熔盐法制备莫来石晶须的原料配比，并对合成产物进行后处理，在保留熔盐法合成的莫来石晶须分散程度高、粒径分布均匀、长径比高的优点基础上，提高合成的莫来石晶须纯度，产物中没有二氧化硅及氧化铝杂质。

1.  一种制备莫来石晶须的配方，其特征是原料组成及重量百分比如下：
无水硫酸铝       25.5-29.7％，
无定形二氧化硅   4.3-8.5％，
无水硫酸钠       66.0％。

2.  按照权利要求1的配方制备莫来石晶须的方法，其特征是：
1)将配料采用机械球磨法，以高纯氧化锆球进行干磨，获得混合均匀的粉料，在1001-1050℃加热并保温6-8h，冷却后水洗除去硫酸钠，烘干获得产物莫来石晶须；
2)将步骤1)的产物加入氢氟酸，氢氟酸与产物体积比0.5-2∶1，氢氟酸浓度5-15％，浸洗时间10-60min，再加入乙醇溶解SiF4杂质，浸洗时间10-60min，过滤后得到产物。

制备莫来石晶须的配方及方法
技术领域
本发明涉及一种熔制备莫来石晶须的配方及方法，属于新材料技术领域。
背景技术
为制备高温下具有优异力学性能以及抗热震性的部件，例如应用在汽车发动机过滤网、航空航天发动机喷口、核工业水冷却循环管道等方面，需要一种能够在高温(1300℃以上)对基体进行补强的第二相材料。由于现有的碳化硅晶须、碳化硼晶须、碳晶须、钛酸钾晶须等易被氧化、分解温度低，其不能在高温下对基体材料进行稳定、有效的补强。对于上述应用，莫来石晶须由于优异的化学稳定性，且力学性能高温下不下降反而有所增加，已被证明是最有前途的高温补强材料。现有熔盐法制备的莫来石晶须分散程度高、粒径分布均匀、长径比高，但莫来石产率大约在90％，影响了莫来石晶须的应用。
发明内容
本发明的目的在于利用熔盐法合成高纯度莫来石晶须粉体。利用莫来石晶须优异的化学稳定性，且力学性能高温下不下降反而有所增加，制备能够在高温(1300℃以上)对基体进行补强的第二相材料。针对已有熔盐法按照化学计量比配料不能合成出高纯度的莫来石晶须，对熔盐法配料比例进行优化，后对合成出的莫来石晶须进行化学处理，从而获得高纯度的莫来石晶须产品。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：
本发明的一种制备莫来石晶须的配方，原料组成及重量百分比如下：
无水硫酸铝       25.5-29.7％，
无定形二氧化硅   4.3-8.5％，
无水硫酸钠       66.0％。
本发明的制备莫来石晶须的方法：
1)将配料采用机械球磨法，以高纯氧化锆球进行干磨，获得混合均匀的粉料，在1001-1050℃加热并保温6-8h，冷却后水洗除去硫酸钠，烘干获得产物莫来石晶须；
2)将步骤1)的产物加入氢氟酸，氢氟酸与产物体积比0.5-2∶1，氢氟酸浓度5-15％，浸洗时间10-60min，再加入乙醇溶解SiF₄杂质，浸洗时间10-60min，过滤后得到产物。
利用盐类在高温下形成的熔体有利于晶体的异向生长，合成按照特定方向生长的晶体。在加热过程中硫酸铝首先与硫酸钠形成二元系熔体液相，随着温度升高，硫酸铝分解并与无定形二氧化硅发生如下反应：
3Al₂(SO₄)₃+2SiO₂＝3Al₂O₃·2SiO₂+9SO₃
此反应过程中生成的莫来石在硫酸钠高温熔体中达到一定饱和度后析出形核，在熔体提供的液相环境下莫来石晶核按照其晶体生长惯习面生长，形成针状莫来石晶须。由于采用富硅配料，产物中有二氧化硅剩余。
对熔盐法合成的莫来石晶须产物进行纯化处理，引入氢氟酸，去除产物中剩余的二氧化硅，发生如下反应：
4HF+SiO₂＝SiF₄+2H₂O
再引入乙醇溶解SiF₄杂质，过滤后得到产物经扫描电镜检测莫来石晶须直径在100-200nm，长度在4-8μm，莫来石晶须纯度可达到98-100wt％。
本发明的优点在于：通过改变熔盐法制备莫来石晶须的原料配比，并对合成产物进行后处理，在保留熔盐法合成的莫来石晶须分散程度高、粒径分布均匀、长径比高的优点基础上，提高合成的莫来石晶须纯度，产物中没有二氧化硅及氧化铝杂质。
具体实施方式
实例1：
原料采用无水硫酸铝28.9wt％；无定形二氧化硅5.1wt％；无水硫酸钠66.0wt％，用机械球磨法，以高纯氧化锆球球磨4h，获得混合均匀的粉料。获得的粉料在1020℃加热并保温7h，升温速率为300℃/h，熔烧后的粉料随炉冷却至室温。所得产物用90℃的水反复冲洗、过滤，除去产物中的硫酸钠，直至用硝酸钡溶液滴定不再出现沉淀为止，随后100℃下干燥。在10wt％氢氟酸中按照与产物体积比1∶1加入干燥产物，浸洗30min后，后用乙醇浸洗20min。后经在100℃干燥，得到高纯度的莫来石晶须。X射线衍射分析表明，产物中没有二氧化硅及氧化铝剩余，莫来石相为产物中唯一晶相，纯度接近100％。扫描电子显微镜显示，生成的莫来石晶须分散良好，晶须长约为5μm、直径约为200nm，长径比达到25。
实例2：
原料采用无水硫酸铝25.5wt％；无定形二氧化硅8.5wt％；无水硫酸钠66.0wt％，用机械球磨法，以高纯氧化锆球球磨4h，获得混合均匀的粉料。获得的粉料在1005℃加热并保温6h，升温速率为300℃/h，熔烧后的粉料随炉冷却至室温。所得产物用90℃的水反复冲洗、过滤，除去产物中的硫酸钠，直至用硝酸钡溶液滴定不再出现沉淀为止，随后100℃下干燥。在15wt％氢氟酸中按照与产物体积比2∶1加入干燥产物，浸洗60min后，后用乙醇浸洗60min。后经在100℃干燥，得到高纯度的莫来石晶须。X射线衍射分析表明，产物中没有二氧化硅及氧化铝剩余，莫来石相为产物中唯一晶相，纯度大于98％。扫描电子显微镜显示，生成的莫来石晶须分散良好，晶须长约为5μm、直径约为200nm，长径比达到25。
实例3：
原料采用无水硫酸铝29.7wt％；无定形二氧化硅4.3wt％；无水硫酸钠66.0wt％，用机械球磨法，以高纯氧化锆球球磨4h，获得混合均匀的粉料。获得的粉料在1050℃加热并保温8h，升温速率为300℃/h，熔烧后的粉料随炉冷却至室温。所得产物用90℃的水反复冲洗、过滤，除去产物中的硫酸钠，直至用硝酸钡溶液滴定不再出现沉淀为止，随后100℃下干燥。在5wt％氢氟酸中按照与产物体积比0.5∶1加入干燥产物，浸洗10min后，后用乙醇浸洗10min。后经在100℃干燥，得到高纯度的莫来石晶须。X射线衍射分析表明，产物中没有二氧化硅及氧化铝剩余，莫来石相为产物中唯一晶相，纯度大于98％。扫描电子显微镜显示，生成的莫来石晶须分散良好，晶须长约为5μm、直径约为200nm，长径比达到25。
本发明提出的一种熔盐法制备莫来石晶须的配方及方法，已经通过较佳的实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的结构和设备进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。