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高纯氧化镁粉体及氧化镁陶瓷制备方法及应用
2021年11月03日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:309
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高纯氧化镁粉体材料是重要的耐高温材料,其制备的氧化镁陶瓷广泛应用于透光材料领域透明氧化镁陶瓷是一种光学各向同性体,具有较好的耐碱金属蒸气腐蚀性、高熔点、高导热性、较小的理论密度、高绝缘及高红外透过性等优点。高品质的耐火透明氧化镁陶瓷是一种很有前景的材料,其性能优于氧化铝陶瓷,在可见光及红外透光材料领域具有广泛的应用。

1  高纯MgO粉体(左)、透明MgO陶瓷

一、高纯MgO粉体制备方法

高纯氧化镁粉体是指MgO质量分数大于99%国内一般指MgO 质量分数大于98%),体积密度大于3.40g/cm3的烧结氧化镁。高纯MgO的制备均以含镁化合物为原料,部分制成轻烧氧化镁后再经过电熔或重烧制得高纯氧化镁,部分直接煅烧或热解制得高纯氧化镁。目前主要制备方法有直接煅烧法卤水沉淀法卤水直接热解法、电熔法。

名称

工艺概述

优点

缺点

直接煅烧法

直接煅烧法可分为二步煅烧和一步煅烧。 二步煅烧选用优质菱镁矿,首先在煅烧炉中进 行第一步煅烧,温度控制在1273K左右,生成轻烧氧化镁,再经过机械粉碎、球磨,在球磨的过程中 可以消除“假晶”现象,并且同时尽可能降低氧化镁粉体的粒径。

原料来源广泛,工艺简单,生产成本低

由于菱镁矿中含 有的杂质很难分离,一般镁砂的纯度很难达到99% 以上

卤水沉淀法

采用卤水或者海水制备高纯氧化镁,首先要获得轻质氧化镁。可向海水或卤水中加入沉淀剂,再经洗涤和化学精制等方法除去杂质离子,以保证获得的碱式碳酸镁或氢氧化镁的纯度。

制备的氧化镁粉体纯度可达99.9%以上。

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卤水直接热解法

常温下氯化镁以MgCl2 · 6H2O形式存在,当温度逐渐升高时,MgCl2 · 6H2O开始不断失去结晶水并随后伴随水解,最后生成MgO和HCl气体。

该工艺原料成本低。工艺路线短而简单

工艺过程控制复杂,目前该工艺制备高纯氧化镁的技术在我国还不成熟。

电熔法

将轻质氧化镁或轻烧镁粉压团后放入电熔炉中,插入电极,在大电流、低电压条件下电熔,所得高纯镁砂纯度可达99.9%,密度可达 3.50g/cm3以上。产品质量主要决定于电流电压的大小以及电熔时间的长短等。

可通过不同工艺制备不同形貌高纯氧化镁粉体材料。

设备投入和资源消耗大

二、不同高纯氧化镁粉体形貌及控制工艺

1.立方块状氧化镁粉体

立方块状高纯氧化镁粉体是通过电熔法制备,粒径分布均匀,可用于制备透明氧化镁陶瓷以及电子材料填料等。此外,电熔法还可用来制备单结晶MgO,纯度超过99.9%,被广泛用作新材料薄膜衬底,例如高温超导膜、MRAM的铁电膜等。

 

2 立方块状氧化镁粉体SEM

2.球状氧化镁粉体

球形氧化镁的导热系数可达球形氧化铝的1.5倍,大大增强了材料设计在热管理上的灵活度,被称为接棒球形氧化铝的“下一代导热填料”。粉体圈于2021年07月08日针对球形氧化镁进行了报道,详见《氧化镁导热填料大热,Denka彰显粉体球形化技术底蕴》。

3  Denka目前推出的两种球形氧化镁(60μm和120μm为中位径)

3.片状氧化镁粉体

菱面片状氧化镁粉体制备以低品位白云石为原料采用卤水沉淀法,通过二次酸浸、氨水沉淀法制备前驱体氢氧化镁,经煅烧得到菱面片层状多空隙结构的纳米MgO晶体,该氧化镁为结晶良好、立方晶系,厚度约10~20nm,最大面积可达1μm2左右的类似菊花状的二维菱面片层状空隙结构,广泛应用于高级陶瓷材料、化妆品、油漆、橡胶填充剂、催化剂载体等领域,在军事、量子器件、微电子学等领域亦有重要的应用前景和巨大的经济潜力。

4  片状氧化镁粉体SEM

三、氧化镁陶瓷研究进展

目前关于透明氧化镁陶瓷工艺的研究方向大多集中于热压烧结制度的确定。透明陶瓷的烧结方法有很多种,主要有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等。具体如下:

名称

工艺过程

优点

缺点

常压烧结

首先经湿沉淀法合成纳米MgO颗粒,经700℃煅烧2h,干压成型(200MPa)后,在空气气氛下,经 1400℃无压烧结 2h,即得到晶粒大小为 6μm、相对密度为 98.1%、平均硬度 6.8GPa 的半透明陶瓷。此外,在氧化或还原气氛中烧结陶瓷可以消除由于材料成分挥发产生的空位等缺陷,提高陶瓷的透明性。

常压烧结成本较低,对设备要求不高,是最为简单的、目前较为常用的一种烧结方法,在特殊气体气氛和大气条件下的烧结均属于常压烧结。

常压烧结一般需要加入烧结助剂,以促进烧结致密化。

热压烧结

目前,热压烧结已经成为制备透明陶瓷的重要技术。以粒径为10nm的纳米氧化镁为原料,30MPa下单轴冷压成型后,再在250MPa下冷等静压成型。成型后使用热压烧结法,在790℃和150MPa 下于空气气氛中烧结30min,制备得到相对密度达99.5%的透明氧化镁陶瓷。

有利于陶瓷中物质传递和颗粒间的扩散,因而能降低成型压力,减少烧结时间,降低烧结温度,抑制晶粒长大,获得细晶粒、高致密度、力学和电学性能良好的产品。利用热压烧结方法时,不用添加成型助剂或烧结助剂,就能制得高性能的陶瓷产品。

其缺点主要有设备较为复杂、模具材料要求高、生产效率低、能耗大、生产成本高等。

热等静压烧结

以高压氮气或惰性气体作介质,使氧化镁陶瓷粉体、素坯或预烧结体在高温(1000~2000℃)、高压 (200MPa) 的共同作用下,各向均衡受压,实现陶瓷材料致密化。该法适合生产形状复杂制品,广泛用于制备透明装甲陶瓷,热等静压烧结法制备的陶瓷样品具有均匀性好、致密度高、性能优异等特点。该法本身具有工序少、生产周期短、材料损耗小、能耗低等优点

该法具有工序少、生产周期短、材料损耗小、能耗低等优点

缺点是烧结设备昂贵,成本较高,在日常应用中相对较少。

放电等离子烧结

通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部的颗粒均匀地自身放热,同时使颗粒表面活化,在短时间内使烧结体达到致密的一种快速烧结方法。该法是一种新型的烧结工艺,其原理是在加压成型过程中,将特定烧结电源施加到通电电极上,从而实现放电活化、热塑性变形等过程。

放电等离子烧结具有热压烧结的特点,同时脉冲电流产生的等离子体使粉末的烧结温度相对更低。

其缺点主要是所需设备昂贵,且烧结过程易引入杂质。

四、氧化镁陶瓷应用

1.透明氧化镁陶瓷

透明氧化镁陶瓷是一种呈透明状的MgO陶瓷。属立方晶系,熔点2800℃。它以高纯MgO为原料,添加少量晶粒生长抑制剂,采用热压或常压烧结工艺制成。目前已制备透明氧化镁陶瓷性能如下:

密度

热膨胀系数

直线透过率

抗弯强度

特性

用途

3.58g/cm3

13×10-6/℃

80~85%

134MPa

透明性和红外透过性好

应用于火箭导弹及宇航器的红外窗口和铭流罩、光学滤光片和光学检波器的基料,高压钠灯发光管,高温炉窗口等。


2.氧化镁微波介质陶瓷

高纯氧化镁具有较大的表面活性和高温特性且纯度高,因此陶瓷滤波器中一般用到氧化镁来保证滤波器有较好的传导性,机械强度和耐高温性。微波介质陶瓷作为一种新型电子材料,随着5G正式投入商用,全国5G基站也将连片覆盖,微波介质陶瓷作为滤波器也在5G基站建设中被广泛应用。高纯氧化镁通常会影响到滤波器的三个参数:相对介电常数、品质因数、谐振频率温度系数

 

3.制备熔融陶瓷颗粒

高纯氧化镁与氧化铝一起制备熔融陶瓷颗粒,可广泛应用于磨具领域。与稀土氧化物一起作为烧结助剂,制备氮化硅陶瓷,可高效、经济地制造各种复杂形状的产品,如切削刀具、密封环、轴承、喷嘴及各种耐高温、耐磨损、耐腐蚀制品等。

4.制备氧化镁陶瓷型芯

制成的氧化镁陶瓷型芯使用温度不低于1600℃,高温条件下不与浇注金属反应,铸件表面光滑,弥补了使用硅基型芯浇铸此类材料时,铸件内孔会产生大量气孔和粘砂等缺陷;溶失性优良,能很好的溶解于弱酸中,脱芯时间短,脱芯设备简单,脱芯工艺无污染、安全可靠,降低了精密铸造成本;浇注空心薄壁铸件不发生热裂;型芯尺寸精度高;有足够的强度,在造型、搬运和装炉时不变形、不破碎。

 

5.制备高韧性陶瓷材料

以高纯氧化镁和氧化钇或稀土金属氧化物为复合稳定剂烧成及热处理制成的力学性能优良,抗高温老化的部分稳定氧化锆陶瓷。该陶瓷材料可广泛用作高温工程部件及高级耐火材料。

 

参考文献:

1.陈英春,周佳芬,路贵民,于建国,高纯镁砂及氧化镁陶瓷研究进展,《化工进展》。

2. 吉亚明,蒋丹宇,冯涛等,透明陶瓷材料现状与发展. 《无机材料学报》。

3. 周佳芬透光氧化镁陶瓷制备工艺及性能研究华东理工大学


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