專利名稱：鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體；更具體涉及具有高耐熱性、極低的熱膨脹性及高耐腐蝕性，即使在高溫下也可穩(wěn)定地持續(xù)使用，且具備高機(jī)械強(qiáng)度的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦酸鋁鎂是跨越鈦酸鋁和鈦酸鎂的整個(gè)組成范圍而生成的連續(xù)固溶體。其燒結(jié)體具有高耐熱性、低熱膨脹系數(shù)和良好的耐腐蝕性。鈦酸鋁鎂例如為鈦酸鋁和鈦酸鎂以近等摩爾比固溶的燒結(jié)體時(shí)，其熔點(diǎn)約為1640℃。該熔點(diǎn)溫度比鈦酸鋁的熔點(diǎn)約1870℃低，但高于鈦酸鎂的熔點(diǎn)1600℃。因此，鈦酸鋁鎂的耐熱高溫極限不如鈦酸鋁，但優(yōu)于鈦酸鎂。
另一方面，鈦酸鋁燒結(jié)體和鈦酸鎂燒結(jié)體的構(gòu)成燒結(jié)體的晶粒都為假板鈦礦(pseudobrookite)型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，具有熱膨脹系數(shù)的各向異性。因此，存在隨著加熱、冷卻在晶粒界面易產(chǎn)生由應(yīng)力造成的偏移，出現(xiàn)微小的裂隙或空隙，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度易下降的缺點(diǎn)。由于鈦酸鋁鎂也存在同樣的缺點(diǎn)，因此鈦酸鋁鎂燒結(jié)體的機(jī)械強(qiáng)度也不夠充分。特別是用于高溫下施加負(fù)荷的用途時(shí)，無法發(fā)揮足夠的耐用性。
此外，鈦酸鋁的合成溫度的下限為1280℃，鈦酸鎂的合成溫度的下限為900℃，兩者在低于合成溫度范圍的溫度下都是不穩(wěn)定的。作為它們的固溶體的鈦酸鋁鎂與鈦酸鋁及鈦酸鎂同樣，在低于合成溫度范圍的溫度下也是不穩(wěn)定的。因此，如果在分解溫度范圍內(nèi)長時(shí)間地使用鈦酸鋁鎂，則易熱分解成TiO2(金紅石型)和MgAl2O4(尖晶石型)。這里，鈦酸鋁鎂的分解溫度范圍因鈦酸鋁和鈦酸鎂的固溶比例的不同而不同，通常為800～1280℃左右。例如，鈦酸鋁和鈦酸鎂以近等摩爾比固溶的鈦酸鋁鎂燒結(jié)體如果在1100℃附近的溫度范圍內(nèi)長時(shí)間連續(xù)使用，則熱分解成TiO2(金紅石型)和MgAl2O4(尖晶石型)(參照非專利文獻(xiàn)1)。
因此，以往的鈦酸鋁鎂燒結(jié)體無法在此分解溫度范圍內(nèi)連續(xù)地使用，雖然該燒結(jié)體具備高耐熱性、極低的熱膨脹性和良好的耐腐蝕性，但由于在熱分解性和機(jī)械強(qiáng)度方面的可靠性低，所以其使用受到限制。
非專利文獻(xiàn)1Journal of American Ceramic Society，1998，81[10]pp.2645-2653發(fā)明的揭示本發(fā)明是鑒于上述問題完成的發(fā)明，其目的是提供具備高耐熱性、極低的熱膨脹性及高耐腐蝕性，同時(shí)熱分解性低，即使在高溫下也可穩(wěn)定地連續(xù)使用，且具備高機(jī)械強(qiáng)度的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體及其制備方法。
本發(fā)明者為了實(shí)現(xiàn)上述目的進(jìn)行認(rèn)真研究后發(fā)現(xiàn)，通過在組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的鈦酸鋁鎂固溶體結(jié)晶中摻入具有特定溫度范圍的熔點(diǎn)的含硅化合物，優(yōu)選鋁硅酸鹽化合物，由鈦酸鋁鎂結(jié)晶中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶體形成的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體可實(shí)現(xiàn)上述目的，從而完成了本發(fā)明。
因此，本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體及其制備方法具備下述技術(shù)特征。
(1)鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，該構(gòu)造體的特征在于，由組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的鈦酸鋁鎂結(jié)晶的至少表面層中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶體形成，以20℃/分鐘的升溫速度在50～800℃的溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)的熱膨脹系數(shù)為-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，且在1100℃的大氣中保持了300小時(shí)的鈦酸鋁鎂的殘存率在50％以上。
(2)上述(1)記載的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，該構(gòu)造體是Al原子的0.1～1摩爾％被Si原子取代了的固溶體。
(3)上述(1)或(2)記載的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，根據(jù)JIS R1601測得的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度在25MPa以上。
(4)上述(1)記載的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的制備方法，按照各自換算成氧化物計(jì)，在100質(zhì)量份的以與組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的鈦酸鋁鎂中的Mg、Al及Ti的金屬成分比例同樣的金屬成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10質(zhì)量份的具有700～1500℃的熔點(diǎn)的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒。
(5)上述(4)記載的制備方法，其中，使鈦酸鋁鎂結(jié)晶在含硅化合物的液相下生成。
(6)上述(4)或(5)記載的制備方法，其中，在原料混合物中添加成形助劑，然后對(duì)成形后的成形體進(jìn)行煅燒。
(7)上述(4)～(6)中任一項(xiàng)記載的制備方法，其中，在700～1000℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)原料混合物進(jìn)行預(yù)煅燒，然后進(jìn)行煅燒。
(8)上述(4)～(7)中任一項(xiàng)記載的制備方法，其中，含硅化合物為鋁硅酸鹽。
(9)上述(8)記載的制備方法，其中，鋁硅酸鹽為選自斜長石、擬長石(feldspathoids)、云母粘土礦物、沸石及堇青石的礦物。
如上所述，本發(fā)明能夠提供具備原有的耐熱性和極低的熱膨脹系數(shù)，耐熱沖擊性良好，同時(shí)具備高耐熱分解性和高機(jī)械強(qiáng)度的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體。對(duì)于本發(fā)明獲得上述具有良好特性的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的原理還不明確，大致推測有下述理由。
本發(fā)明中，在形成鈦酸鋁鎂的混合物中摻入上述具有特定熔點(diǎn)的含硅化合物的情況下，由于處于液相狀態(tài)的含硅化合物在700～1500℃熔解，所以鈦酸鋁鎂的生成反應(yīng)在液相下進(jìn)行，這樣形成了致密的結(jié)晶，機(jī)械強(qiáng)度得到提高。此外，含硅化合物中包含的Si成分取代了鈦酸鋁鎂的晶格中的一部分Al，發(fā)生固溶，但鈦酸鋁結(jié)晶系要先于鈦酸鎂結(jié)晶系發(fā)生固溶。這是因?yàn)榧侔邂伒V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，鈦酸鋁的構(gòu)成結(jié)晶結(jié)構(gòu)的八面體的變形較大，結(jié)晶的各向異性明顯，所以其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不如鈦酸鎂。
即，Si優(yōu)先固溶于鈦酸鋁的晶格，主要占據(jù)Al的位置。此時(shí)，4價(jià)的Si不是單獨(dú)地取代保持著原本3價(jià)的電荷平衡的Al的位置，而是與系內(nèi)的2價(jià)Mg成對(duì)，Si和Mg兩者總共為6價(jià)，取代鄰接的2個(gè)Al(總共為6價(jià))。因此，利用Si和Mg的同時(shí)存在，即使在高溫下也可抑制各陽離子間的離子的擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這樣可帶來更理想的耐熱分解性。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體由組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的鈦酸鋁鎂結(jié)晶的至少表面層中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶體形成。本發(fā)明中，只要鈦酸鋁鎂結(jié)晶的至少表面層中的Al原子被Si原子取代即可，當(dāng)然鈦酸鋁鎂結(jié)晶的內(nèi)部(深層部)的Al原子也可被取代。Si原子的取代最好是在固溶極限范圍內(nèi)盡可能的多。此外，x值為0.1≤x＜1，特好為0.25≤x≤0.75。較好的是鈦酸鋁鎂結(jié)晶中的Al原子的0.1～1摩爾％被Si原子取代的固溶體，特好的是Al原子的0.2～0.7摩爾％被Si原子取代的固溶體，最好是Al原子的0.25～0.45摩爾％被Si原子取代的固溶體。該比例小于0.1摩爾％時(shí)，Si原子的固溶所帶來的結(jié)晶穩(wěn)定化的效果不充分，無法獲得較高的耐熱分解性。另一方面，大于1摩爾％時(shí)，由于超過了Si對(duì)結(jié)晶的固溶極限，所以會(huì)有雜質(zhì)相析出，不僅不利于抑制熱分解，還會(huì)導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)的增大。
由Si原子取代的固溶體形成的本發(fā)明的結(jié)晶構(gòu)造體的以20℃/分鐘的升溫速度在50～800℃的溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)的熱膨脹系數(shù)為-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，甚至是具有-3×10-6(1/K)～3×10-6(1/K)這樣的極小的熱膨脹性。其結(jié)果是，其耐熱沖擊性極大，非常理想。
此外，本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的特征在于耐熱分解性高，即，即使在高溫下也可穩(wěn)定地持續(xù)使用。其所顯現(xiàn)出的耐熱分解性為在1100℃的大氣中保持了300小時(shí)的鈦酸鋁鎂的殘存率在50％以上，更好是75％以上，最好為90％以上。而作為對(duì)照，如后述的比較例所示，以往的鈦酸鋁鎂最高僅有35％左右的殘存率。因此，本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體提供了可在包含上述800～1280℃的分解性溫度范圍的高溫范圍內(nèi)長期穩(wěn)定地使用的可靠性高的材料。
此外，本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的特征在于，其機(jī)械強(qiáng)度良好。因此，作為機(jī)械強(qiáng)度的代表指標(biāo)的JIS R1601的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度在25MPa以上，更好是30MPa以上，最好是40MPa以上。而作為對(duì)照，如后述的比較例所示，以往的鈦酸鋁鎂最高僅有10MPa左右的強(qiáng)度。因此，本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體提供了能夠在以往的鈦酸鋁鎂無法使用的要求高機(jī)械強(qiáng)度的領(lǐng)域使用的材料。
本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體通過以下方法制得。即，按照各自換算成氧化物計(jì)，在100質(zhì)量份的以與組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5(式中，0.1≤x＜1)表示的鈦酸鋁鎂中的Mg、Al及Ti的金屬成分比例同樣的金屬成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10質(zhì)量份的具有700～1500℃的熔點(diǎn)的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒。
以上所用的含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物只要是通過煅燒可合成鈦酸鋁鎂的成分即可，無特別限定。含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物可以不是各自單獨(dú)的化合物，可以是含2種以上的金屬成分的化合物。這些化合物可從通常作為氧化鋁陶瓷、二氧化鈦陶瓷、氧化鎂陶瓷、鈦酸鋁陶瓷、鈦酸鎂陶瓷、尖晶石陶瓷、鈦酸鋁鎂陶瓷等各種陶瓷的原料使用的化合物中適當(dāng)選擇。作為該化合物的具體例，可例示Al2O3、TiO2、MgO等氧化物，MgAl2O4、Al2TiO5、含Mg和Ti的各尖晶石型結(jié)構(gòu)體等含2種以上的金屬成分的復(fù)合氧化物，含選自Al、Ti及Mg的1種或2種以上的金屬成分的化合物(碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽等)。
含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合比例應(yīng)使這些化合物所包含的金屬成分的比例與上述組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的鈦酸鋁鎂中的Mg、Al及Ti的金屬成分比例同樣，最好實(shí)質(zhì)上為同一比例。以該比例混合上述各化合物使用，可獲得具有與作為原料使用的混合物中的金屬成分比例同樣的金屬成分比例的鈦酸鋁鎂。
制備本發(fā)明的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體時(shí)，在上述包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中混入具有700～1500℃的熔點(diǎn)的含硅化合物。所用含硅化合物的熔點(diǎn)很重要，熔點(diǎn)如果低于700℃，則被預(yù)燒結(jié)前添加劑會(huì)熔融，所以成形體中不會(huì)形成具備足夠強(qiáng)度的結(jié)晶構(gòu)造體。相反地，如果大于1500℃時(shí)，則鈦酸鋁鎂的生成反應(yīng)后的添加劑的熔融導(dǎo)致生成反應(yīng)無法在液相下進(jìn)行，所以Si原子的固溶變得困難，無法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。例如，使用了熔點(diǎn)為1723℃的SiO2的情況下，不能夠確認(rèn)在所得結(jié)晶構(gòu)造體的內(nèi)部有Si離子存在，而是在晶粒的周圍以SiO2的形態(tài)單獨(dú)析出。含硅化合物的熔點(diǎn)更好為900～1300℃，特好為1000～1200℃。
作為上述含硅化合物，較好為鋁硅酸鹽。該鋁硅酸鹽可以是天然礦石或合成物中的任一種，從易獲得和成本方面考慮，特好為鋁硅酸鹽礦物。作為鋁硅酸鹽礦物，可例示斜長石、擬長石、堿性長石、云母粘土礦物、沸石、堇青石等各種礦物。其中，堿性長石、斜長石和擬長石的熔點(diǎn)低，特別有利于促進(jìn)鈦酸鋁鎂的燒結(jié)。
上述含硅化合物的用量和鈦酸鋁鎂結(jié)晶中的Al原子被Si原子取代的比例有關(guān)，相對(duì)于含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的各化合物換算為氧化物的合計(jì)值100質(zhì)量份，為1～10質(zhì)量份，較好為3～5質(zhì)量份。將這種情況下的混合物作為氧化物換算的合計(jì)量是指進(jìn)行了用于除去包含于上述混合物中的水分和有機(jī)物的加熱處理后并進(jìn)行了預(yù)燒結(jié)的情況下的預(yù)燒結(jié)后的正式燒結(jié)前的重量。
本發(fā)明中，可根據(jù)需要在加入了含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物、含硅化合物的原料混合物中加入其它的添加劑，這樣可改善所得結(jié)晶構(gòu)造體的性質(zhì)。作為其它的添加劑，可例舉例如SiO2、ZrO2、Fe2O3、MgO、Al2O3、TiO2、CaO、Y2O3等氧化物或含Mg的尖晶石型結(jié)構(gòu)的氧化物等。100質(zhì)量份上述混合物中的上述1種或2種以上的添加劑的添加量較好在15質(zhì)量份以下。
上述包含含Mg化合物、含Al化合物及含Yi化合物、含硅化合物的原料混合物被充分地混合、粉碎。對(duì)混合物的混合、粉碎無特別限定，可按照已知的方法實(shí)施。例如，采用球磨機(jī)、介質(zhì)攪拌機(jī)等實(shí)施。對(duì)上述原料混合物的粉碎程度無特別限定，平均粒徑較好為30μm以下，特好為8～15μm以下。最好在不會(huì)形成二次粒子的范圍內(nèi)盡可能的小。
上述混合物也可直接煅燒，但最好是預(yù)先形成為最終使用形態(tài)的成形體后進(jìn)行煅燒。成形時(shí)，最好在上述混合物中摻入成形助劑。作為成形助劑，可使用粘合劑、脫模劑、消泡劑及散凝劑等公知試劑。作為粘合劑，較好為聚乙烯醇、微晶蠟乳液、甲基纖維素、羧甲基纖維素等。作為脫模劑，較好為硬脂酸乳液等，作為消泡劑，較好為正辛醇、辛基苯氧基乙醇等，作為散凝劑，較好為二乙胺、三乙胺等。
對(duì)成形助劑的用量無特別限定，本發(fā)明中，相對(duì)于作為原料使用的含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的各化合物換算為氧化物的合計(jì)量100質(zhì)量份，各成形助劑均以固形物換算的用量范圍如下所述。即，粘合劑較好為0.2～0.6質(zhì)量份左右，脫模劑較好為0.2～0.7質(zhì)量份左右，消泡劑較好為0.5～1.5質(zhì)量份左右，散凝劑較好為0.5～1.5質(zhì)量份左右。加入了上述成形助劑的原料混合物被混合、混煉、成形。作為成形方法，可使用加壓成形、片材成形、澆鑄成形、擠出成形、注射成形、CIP成形等。
煅燒最好是在干燥后于1200～1700℃，較好為1300～1500℃實(shí)施。對(duì)煅燒的氣氛無特別限定，最好是常用的空氣中等含氧氣氛。煅燒時(shí)間只要可確保燒結(jié)充分進(jìn)行即可，通常為1～20小時(shí)左右。
對(duì)煅燒時(shí)的升溫速度或降溫速度無特別限定，可適當(dāng)設(shè)定所得燒結(jié)體中不會(huì)有裂隙等的條件。例如，為了充分除去上述混合物中所含的水分和粘合劑等成形助劑，最好不是急劇地升溫而是緩慢地升溫。在加熱至上述煅燒溫度前，可根據(jù)需要較好是在700～1000℃左右的溫度范圍內(nèi)通過10～30小時(shí)左右的平穩(wěn)的升溫實(shí)施預(yù)燒結(jié)，這樣可緩解鈦酸鋁鎂形成時(shí)導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生的燒結(jié)體內(nèi)的應(yīng)力，抑制燒結(jié)體中的裂隙的產(chǎn)生，易獲得均一的燒結(jié)體。
如上所述，以上獲得的本發(fā)明的燒結(jié)體兼具良好的耐熱性和低熱膨脹系數(shù)，且結(jié)晶結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定化，因此可形成具備良好的耐熱分解性和高機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)晶構(gòu)造體。
實(shí)施例以下，通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明，但毫無疑問本發(fā)明并不僅限定于此。
實(shí)施例1～5在100質(zhì)量份由易燒結(jié)α型氧化鋁26.7質(zhì)量％(20摩爾％)、銳鈦礦型二氧化鈦62.8質(zhì)量％(60摩爾％)及作為天然礦物存在的方鎂石型氧化鎂10.5質(zhì)量％(20摩爾％)形成的混合物中，按照表1所示的Si原子的固溶率(取代率)添加1～10質(zhì)量份化學(xué)式(Na0.6K0.4)AlSi3O8表示的堿性長石，再分別添加0.25質(zhì)量份作為粘合劑的聚乙烯醇、1質(zhì)量份作為散凝劑的二乙胺和0.5質(zhì)量份作為消泡劑的聚丙二醇。然后，用球磨機(jī)混合3小時(shí)，再用120℃的干燥機(jī)干燥12小時(shí)以上，獲得原料粉末。
將所得原料粉末粉碎成150篩目左右，以60MPa的成形壓加壓，獲得100mm×100mm×10mm的成形體。
按照下述的加熱程序在大氣中對(duì)該成形體進(jìn)行煅燒后，放冷，獲得鈦酸鋁鎂燒結(jié)體。
(加熱程序)室溫～140℃21小時(shí)于140℃保持14小時(shí)140～216℃21小時(shí)216～295℃16小時(shí)295～379℃46小時(shí)379～458℃20小時(shí)458～700℃28小時(shí)于700℃保持3小時(shí)700～1000℃26小時(shí)
1000～1400℃3小時(shí)于1400℃保持4小時(shí)比較例1除了未添加堿性長石以外，其它與上述實(shí)施例1～5同樣地實(shí)施，獲得鈦酸鋁鎂燒結(jié)體。
研磨以上獲得的實(shí)施例1～5的燒結(jié)體的結(jié)晶構(gòu)造體，將經(jīng)過研磨的結(jié)晶構(gòu)造體作為檢體，用TEM(透射電子顯微鏡)對(duì)它們進(jìn)行觀察，并對(duì)它們進(jìn)行EDX元素分析，其結(jié)果是，在實(shí)施例1～5的晶粒的內(nèi)部可見固溶的Si離子的存在。此外，采用NMR(核磁共振裝置)對(duì)實(shí)施例1～5的結(jié)晶構(gòu)造體進(jìn)行29Si的光譜解析后發(fā)現(xiàn)，Si原子在結(jié)晶構(gòu)造體中以6配位存在，這表示Si原子以4配位存在的含硅化合物通過在液相下的反應(yīng)而固溶取代了Al原子(6配位)。
此外，分別對(duì)實(shí)施例1～5的燒結(jié)體和比較例1的結(jié)晶構(gòu)造體進(jìn)行XRD測定，由此求得鈦酸鋁鎂結(jié)晶的衍射峰。實(shí)施例1～5的衍射峰與比較例1的相比，向低角度側(cè)位移，由各自位移的移動(dòng)量求出Si原子對(duì)結(jié)晶的固溶率(取代率)。
另外，按照J(rèn)IS R1618，分別從實(shí)施例1～5的燒結(jié)體和比較例1的燒結(jié)體切出5mm×5mm×20mm的試樣，進(jìn)行表面研磨后，基于在20℃/分鐘的升溫條件下從50℃加熱至800℃時(shí)的長邊方向的膨脹量求得熱膨脹系數(shù)。結(jié)果示于表1。
此外，分別從實(shí)施例1～5的燒結(jié)體和比較例1的結(jié)晶構(gòu)造體切出10mm×10mm×10mm的試樣，將其保持于1100℃的大氣中，求出經(jīng)過300小時(shí)后的鈦酸鋁鎂的殘存率α(％)，示于表1。
另外，通過以下的方法，利用XRD求得鈦酸鋁鎂的殘存率。
首先，由于在鈦酸鋁鎂熱分解時(shí)生成TiO2(金紅石)和MgAl2O4(尖晶石)，所以用金紅石的(110)面的衍射峰的積分強(qiáng)度(ITiO2(110))和鈦酸鋁鎂的(023)面的衍射峰的積分強(qiáng)度(IMAT(023))由下式求出鈦酸鋁鎂相對(duì)于金紅石的強(qiáng)度比R。
R＝IMAT(023)/{IMAT(023)+ITiO2(110)}此外，對(duì)于進(jìn)行1100℃的熱處理前的燒結(jié)體，采用同樣的方法求出鈦酸鋁鎂相對(duì)于金紅石的強(qiáng)度比R0。
然后，采用通過上述方法求得的R和R0，由下式求出鈦酸鋁鎂的殘存率α(％)。
α＝(R/R0)×100
接著，分別從上述實(shí)施例1～5和比較例1的燒結(jié)體切出3mm×4mm×40mm的試樣，進(jìn)行表面研磨，并磨出棱角。按照J(rèn)IS R1601測定三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，結(jié)果分別示于表1。
表1

如表1的結(jié)果所示，鈦酸鋁鎂結(jié)晶中的Al原子的一部分被Si原子取代了的固溶體維持了低膨脹特性，同時(shí)與比較例1相比，鈦酸鋁鎂結(jié)晶的殘存率高。另外，實(shí)施例1～5的結(jié)晶構(gòu)造體與比較例1相比，具備非常好的機(jī)械強(qiáng)度。
實(shí)施例6～10在100質(zhì)量份由易燒結(jié)α型氧化鋁26.7質(zhì)量％(20摩爾％)、銳鈦礦型二氧化鈦62.8質(zhì)量％(60摩爾％)及作為天然礦物存在的方鎂石型氧化鎂10.5質(zhì)量％(20摩爾％)形成的混合物中，添加換算成SiO2為1質(zhì)量份的具有表2所示的化學(xué)式和熔點(diǎn)的鋁硅酸鹽礦物。
除此以外，與上述實(shí)施例1～5同樣實(shí)施獲得鈦酸鋁鎂燒結(jié)體。對(duì)于所得燒結(jié)體，與實(shí)施例1～5同樣地切出試樣，測定熱膨脹系數(shù)、鈦酸鋁鎂的殘存率α(％)及三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。其結(jié)果示于表3。
表2

表3

如表3可明顯看出，利用在生成鈦酸鋁鎂結(jié)晶的溫度下熔解的含Si化合物進(jìn)行液相燒結(jié)而得的實(shí)施例6～10的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體與比較例1相比，具有較低的熱膨脹性，且鈦酸鋁鎂結(jié)晶的殘存率α(％)高，并具備高機(jī)械強(qiáng)度。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明提供了具備良好的耐熱性、極低的熱膨脹性及良好的耐熱沖擊性，同時(shí)具備高耐熱分解性和高機(jī)械強(qiáng)度的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體。該結(jié)晶構(gòu)造體適用于坩堝、定位器、鋼盆、爐材等煅燒爐用具，柴油機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等的排氣凈化用濾器及催化劑載體，發(fā)電裝置的零部件，基板、電容器等電子零部件等廣泛領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，其特征在于，由組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的鈦酸鋁鎂結(jié)晶的至少表面層中的Al原子的一部分被Si原子取代的固溶體形成，以20℃/分鐘的升溫速度在50～800℃的溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)的熱膨脹系數(shù)為-6×10-6(1/K)～6×10-6(1/K)，且在1100℃的大氣中保持了300小時(shí)的鈦酸鋁鎂的殘存率在50％以上，上式中，0.1≤x＜1。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，其特征在于，該構(gòu)造體為Al原子的0.1～1摩爾％被Si原子取代了的固溶體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體，其特征在于，根據(jù)JISR1601測得的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度在25MPa以上。
4.權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的制備方法，其特征在于，按照各自換算成氧化物計(jì)，在100質(zhì)量份的以與組成式MgxAl2(1-x)Ti(1+x)O5表示的鈦酸鋁鎂中的Mg、Al及Ti的金屬成分比例同樣的金屬成分比例包含含Mg化合物、含Al化合物及含Ti化合物的混合物中，混入1～10質(zhì)量份的具有700～1500℃的熔點(diǎn)的含硅化合物，形成原料混合物，然后在1200～1700℃對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒，上式中，0.1≤x＜1。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，使鈦酸鋁鎂結(jié)晶在含硅化合物的液相下生成。
6.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，在原料混合物中添加成形助劑，然后對(duì)成形后的成形體進(jìn)行煅燒。
7.如權(quán)利要求4～6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，在700～1000℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)原料混合物進(jìn)行預(yù)煅燒，然后進(jìn)行煅燒。
8.如權(quán)利要求4～7中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，含硅化合物為鋁硅酸鹽。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，鋁硅酸鹽為選自斜長石、擬長石、云母粘土礦物、沸石及堇青石的礦物。
全文摘要
本發(fā)明提供耐熱性及耐熱沖擊性良好、且具備高耐熱分解性及高機(jī)械強(qiáng)度、即使在變化的高溫下也可穩(wěn)定地使用的鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體及其制備方法。該鈦酸鋁鎂結(jié)晶構(gòu)造體的特征在于，由組成式Mg
文檔編號(hào)C04B35/478GK1946653SQ20058001274
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者福田勉, 福田匡洋, 福田匡晃, 橫尾俊信, 高橋雅英 申請(qǐng)人:王世來股份有限公司