專利名稱：一種分相陶瓷材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，涉及材料設(shè)計(jì)、材料化學(xué)和材料工藝學(xué)等相關(guān)技術(shù)。
背景技術(shù)：
材料從其析晶情況可非為晶體材料和非晶材料，晶體材料按照其包含的晶型的種類可以分為單晶材料和多晶材料，非晶材料按照其包含的非晶相的種類，可以分為均相非晶材料和分相非晶材料；具有單一相的為均相非晶材料，如玻璃等，具有兩種以上非晶相的為分相非晶材料，簡稱分相材料。分相材料最早出現(xiàn)在陶瓷釉中，同一種配方的陶瓷釉經(jīng)高溫熔融后冷卻過程中，產(chǎn)生化學(xué)組份不同的、相互穿插均勻分布的兩種或多種非晶相，即分相釉，早在宋朝的鈞瓷和德化建窯黑瓷就是典型的分相釉陶瓷；早期分相釉陶瓷的出現(xiàn)帶有很大的偶然性，完全是由于陶瓷釉配方碰巧落在陶瓷相圖的分相區(qū)，而出現(xiàn)陶瓷分相釉，由于陶瓷分相釉呈現(xiàn)迷人的藝術(shù)效果而備受重視。微晶玻璃是以分相理論為基礎(chǔ)而發(fā)明的一種高強(qiáng)度特種玻璃，最早由美國CORNING公司發(fā)明，其原理是均一的玻璃相首先產(chǎn)生分相，其中一個非晶相中析出納米尺寸的晶相，形成納米晶相均勻分布在另一種非晶相中特殊材料。分相材料的設(shè)計(jì)是以相圖為基礎(chǔ)進(jìn)行的材料設(shè)計(jì)，目前二元相圖多數(shù)具有較完整的相圖，可以直接根據(jù)二元相圖的分相區(qū)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，三元相圖通常只有部分相圖截面，而三元以上的相圖往往難以表征，只有少數(shù)的相圖截面。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明公開一種以相圖為基礎(chǔ)進(jìn)行分相材料的設(shè)計(jì)方法，是一種半經(jīng)驗(yàn)的材料設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用化學(xué)模式識別技術(shù)對已有的相圖進(jìn)行模式聚類分析，總結(jié)出相圖分相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)分布規(guī)律，建立相圖中出現(xiàn)分相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。針對需要設(shè)計(jì)的材料種類，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型尋找對應(yīng)的相圖分相區(qū)，作為分相材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在上述相圖分相區(qū)中找到所要設(shè)計(jì)的分相材料的化學(xué)組成點(diǎn)，以此點(diǎn)的化學(xué)計(jì)量為基礎(chǔ)，應(yīng)用逆映照算法，計(jì)算出制造分相材料的化學(xué)組成；再根據(jù)所選擇的原料，應(yīng)用目標(biāo)規(guī)劃算法計(jì)算出原料配方。按照設(shè)計(jì)好的原料配方配制分相材料配合料，加熱到使其完全熔融且高于分相區(qū)間的溫度，緩慢冷卻進(jìn)入分相區(qū)間，恒溫一定的時(shí)間，充分產(chǎn)生分相，將分相材料冷卻到兩相凝固點(diǎn)之間的某個溫度點(diǎn)，使一相析晶，另一相保持熔融態(tài)，再快速冷卻，形成一個晶相均勻分散在另一個非晶相之中的復(fù)合形態(tài)。應(yīng)用本發(fā)明公開的方法，可以制造具有特殊性能的分相陶瓷材料，例如(但不僅限于)由一種微晶材料均勻分散在另一種非晶材料之中而形成的分相陶瓷材料等，通過材料設(shè)計(jì)方法，可以使得分相陶瓷材料中的微晶相具有特殊的磁性或電導(dǎo)率，當(dāng)各種電磁波通過分相陶瓷材料中的透明非晶相，到達(dá)微晶相時(shí)，具有高磁性或高電導(dǎo)率的微晶相具有使電磁波衰減的性能，從而實(shí)現(xiàn)吸波功能。實(shí)施例一一種具有吸波性能的分相陶瓷材料的設(shè)計(jì)和制造方法，包括以下步驟
1)在鐵鎳鈉鋁硅酸鹽體系相圖中，經(jīng)過模式識別聚類分析算法的計(jì)算，找到鈉鋁硅酸鹽與鐵酸鎳共存的分相區(qū)域；
2)應(yīng)用逆映照算法，從上述分相區(qū)域推導(dǎo)出分相陶瓷材料的化學(xué)組成；
3)應(yīng)用四氧化三鐵、硝酸鎳、石英、氧化鋁、碳酸鈉等原料，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，計(jì)算出分相陶瓷材料的配方；
4)按照設(shè)計(jì)好的分相陶瓷配方配制原料，經(jīng)粉碎和球磨后，加熱到攝氏2000度以上，完全溶融；
5)降溫至分相區(qū)域，保溫產(chǎn)生鈉玻璃相和鐵酸鎳相、四氧化三鐵相的分相陶瓷材料，再降溫至鐵酸鎳和四氧化三鐵結(jié)晶區(qū)域，保溫產(chǎn)生鐵酸鎳和四氧化三鐵的析晶，再快速冷卻到室溫，得到鐵酸鎳和四氧化三鐵納米微晶均勻分散在鈉玻璃相中的分相陶瓷材料；
6)由于鐵酸鎳和四氧化三鐵具有永久磁性，其納米微晶具有尺寸小、表面積大、分散度高等納米材料的特征，這種分相陶瓷材料可以使較寬頻率的電磁波信號大幅度衰減，同時(shí)這種分相陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度的特征，成為一種性能優(yōu)異的吸波材料。實(shí)施例二 一種吸收光波的分相陶瓷材料的制造方法，包括以下步驟
1)在鐵錳鈷鈣鋁硅酸鹽體系相圖中，經(jīng)過模式識別聚類分析算法的計(jì)算，找到硅鋁酸鈣與鐵酸錳鈷共存的分相區(qū)域；
2)應(yīng)用逆映照算法，從上述分相區(qū)域推導(dǎo)出分相陶瓷材料的化學(xué)組成；
3)應(yīng)用氧化鐵、氧化錳、氧化鈷、石英、氧化鋁、碳酸鈣等原料，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，計(jì)算出分相陶瓷材料的配方；
4)按照設(shè)計(jì)好的分相陶瓷配方配制原料，經(jīng)粉碎和球磨后，加熱到攝氏2000度以上，完全溶融；
5)降溫至分相區(qū)域，保溫產(chǎn)生硅鋁酸鈣非晶相和鐵酸錳鈷相的分相陶瓷材料，再降溫至鐵酸錳鈷結(jié)晶區(qū)域，保溫產(chǎn)生鐵酸錳鈷的析晶，再快速冷卻到室溫，得到鐵酸錳鈷納米微晶均勻分散在硅鋁酸鈣非晶相中的分相陶瓷材料；
6)由于鐵酸錳鈷具有很高的黑度，其納米微晶具有尺寸小、表面積大、分散度高等納米材料的特征，這種分相陶瓷材料可以使較寬波段的可見光大幅度衰減，同時(shí)這種分相陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度的特征，成為一種性能優(yōu)異的消光材料。實(shí)施例三分相陶瓷釉的制造，鈞瓷釉和天目釉都屬于分相釉，但是這兩種瓷釉的制造皆使用純粹經(jīng)驗(yàn)配方，在配方的確定方面沒有任何理論基礎(chǔ)，按照本發(fā)明公開的分相材料設(shè)計(jì)和制造方法，設(shè)計(jì)了一種青瓷分相釉，是此前陶瓷史上從未出現(xiàn)過的分相陶瓷釉，其制造方法包括以下步驟
1)在鐵鈣鋁硅酸鹽體系相圖中，經(jīng)過模式識別聚類分析算法的計(jì)算，找到低鐵高鈣的鋁硅酸鹽相圖分相區(qū)域；
2)應(yīng)用逆映照算法，從上述分相區(qū)域推導(dǎo)出分相陶瓷釉的化學(xué)組成，一個優(yōu)選的方案是氧化鐵含量在1%以下，氧化鈣含量在20%以上，氧化硅含量在50%_65%范圍內(nèi)，氧化鋁含量在15%-20%范圍；
3 )應(yīng)用兩種瓷石、高嶺土、石灰石、氧化鐵和草木灰等原料，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法，計(jì)算出分相陶瓷釉配方；
4)按照設(shè)計(jì)好的分相陶瓷釉配方配制原料，經(jīng)粉碎和球磨后，涂覆在高嶺土和瓷石二元配方的瓷胎上；
5)經(jīng)緩慢升溫，加熱到攝氏1280度至1350度燒成，冷卻至攝氏1180度至1230度的分相區(qū)，保溫60分鐘至120分鐘，然后自 然冷卻，得到具有豐富色彩的青瓷分相陶瓷釉。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明公開的一種以材料設(shè)計(jì)技術(shù)為核心的設(shè)計(jì)和制造分相陶瓷材料的方法，包括以下步驟1)以相圖為基礎(chǔ)進(jìn)行分相材料的設(shè)計(jì)方法，是一種半經(jīng)驗(yàn)的材料設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用化學(xué)模式識別技術(shù)對已有的相圖進(jìn)行模式聚類分析，總結(jié)出相圖分相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)分布規(guī)律，建立相圖中出現(xiàn)分相區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型；2)針對需要設(shè)計(jì)的材料種類，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型尋找對應(yīng)的相圖分相區(qū)，作為分相材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；3)在上述相圖分相區(qū)中找到所要設(shè)計(jì)的分相材料的化學(xué)組成點(diǎn)，以此點(diǎn)的化學(xué)計(jì)量為基礎(chǔ)，應(yīng)用逆映照算法，計(jì)算出制造分相材料的化學(xué)組成；再根據(jù)所選擇的原料，應(yīng)用目標(biāo)規(guī)劃算法計(jì)算出原料配方；4)按照設(shè)計(jì)好的原料配方配制分相材料配合料，加熱到使其完全熔融且高于分相區(qū)間的溫度，緩慢冷卻進(jìn)入分相區(qū)間，恒溫一定的時(shí)間，充分產(chǎn)生分相，再快速冷卻使熔融的分相材料固化；或者，充分產(chǎn)生分相后，將分相材料冷卻到兩相凝固點(diǎn)之間的某個溫度點(diǎn)，使一相析晶，另一相保持熔融態(tài)，再快速冷卻，形成一個晶相均勻分散在另一個非晶相之中的復(fù)合形態(tài)。
2.對已知相圖，應(yīng)用模式識別聚類分析方法，計(jì)算和發(fā)現(xiàn)相圖中具有特殊性能的區(qū)域， 如分相區(qū)域的方法。
3.由相圖上的某些區(qū)域，應(yīng)用逆映照算法，計(jì)算材料的化學(xué)組成的方法，并結(jié)合目標(biāo)規(guī)劃算法計(jì)算原料配方的方法。
4.應(yīng)用本發(fā)明公開的方法，制造具有特殊性能的分相復(fù)合材料，例如(但不僅限于)由兩種折射率不同的非晶材料均勻分散、相互混合而構(gòu)成的特殊光學(xué)材料，由一種微晶材料均勻分散在另一種非晶材料之中而形成的特殊電磁性能材料等的方法。
5.應(yīng)用本發(fā)明公開的方法，設(shè)計(jì)和制造具有特殊色彩的陶瓷藝術(shù)釉的方法。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種設(shè)計(jì)和制造分相陶瓷材料的方法，其中包括應(yīng)用材料設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合系列特殊的人工智能算法，由相圖發(fā)現(xiàn)特殊功能區(qū)，繼而設(shè)計(jì)和計(jì)算出陶瓷材料化學(xué)組成和原料配方，經(jīng)過特殊的工藝工程燒成分相陶瓷材料等步驟，應(yīng)用該方法可以制造各種具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊性能的分相陶瓷材料。
文檔編號C04B35/00GK103044011SQ20121058376
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者郭子鈺, 郭景康, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:上海迪道科技有限公司, 郭景康