本发明涉及陶瓷材料技术领域，特别是涉及低膨胀陶瓷坯料及其制备方法和应用。
背景技术：
陶瓷材料根据其热膨胀系数α的大小分为三类：高膨胀类，中膨胀类和低膨胀类，其中，低膨胀类的热膨胀系数α＜2×10-6·℃-1。低膨胀陶瓷在耐热冲击性方面有着优异的性能，应用非常广泛，因此开发低膨胀陶瓷具有非常重要的意义。
传统的低膨胀陶瓷均是以锂辉石或透锂长石为主要原料，随着锂电池的产量日益增长，锂辉石和透锂长石等锂矿石的供应日趋紧张，锂矿石的价格也飞速上涨，传统的低膨胀陶瓷的原料成本高居不下。因此，开发一种不完全依赖锂矿石为原料的低膨胀陶瓷成为技术发展的主要方向。目前，堇青石作为锂辉石和透锂长石的替代品，其应用具有很大的局限性：若要使陶瓷产品的热膨胀系数达到低膨胀类的标准，则需堇青石在陶瓷坯料中所占的比例达到65％以上，从而导致陶瓷坯料中塑性粘土的比例无法达到40％以上，因此这种陶瓷坯料仅适用于干压成型和等静压成型结合的成型处理。然而，等静压成型相较于传统的滚压成型具有设备成本高、适用范围窄及生产效率低等缺点。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种减少锂矿石用量的且适用于滚压成型的低膨胀陶瓷坯料及其制备方法和应用。
一种低膨胀陶瓷坯料的制备方法，包括以下步骤：
提供原料，原料按重量百分比计包括以下组分：堇青石15％～20％，透锂长石16％～20％，滑石16％～20％，莫来石4％～7％和高岭土40％～43％；
将滑石、莫来石和高岭土进行湿法球磨，制得粒度分布中d97为12～15μm的初级坯料；
将堇青石、透锂长石和初级坯料进行湿法球磨，制得粒度分布中d97为60～80μm的低膨胀陶瓷坯料。
该制备方法减少了透锂长石的用量，降低了原料成本。由该制备方法制得的低膨胀陶瓷坯料适用于设备成本较低的滚压成型，而不限于使用等静压成型，同时由于其组分的粒径大小的差异，使其在随后的烧制过程中能够形成由堇青石相和透锂长石固溶体晶相组成的复合晶相，使最终制得的低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准。
在其中一个实施例中，按重量百分比计，堇青石为15％～18％，透锂长石为17％～19％，滑石为18％～20％，莫来石为4％～5％及高岭土为41％～42％。
在其中一个实施例中，原料中堇青石和透锂长石的粒径为40～80目，滑石、莫来石和高岭土的粒径为200～325目。
在其中一个实施例中，原料中含有不超过4％的锂辉石，锂辉石的粒径为60～100目。
一种由上述的低膨胀陶瓷坯料的制备方法制得的低膨胀陶瓷坯料。
为了使该低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准，低膨胀陶瓷坯料由两种不同粒径的组分构成：滑石、莫来石和高岭土的粒度分布中d97为12～15μm，颗粒分布更紧密，颗粒接触面更大，在随后的烧制过程中，滑石(中的mgo)先与莫来石和高岭土(中的al2o3)反应生成镁铝尖晶石相，铝镁尖晶石相再与滑石、莫来石和高岭土(中的sio2)反应生成堇青石相；堇青石和透锂长石的粒度为60～80μm，颗粒分布较松散，颗粒接触面较小，在随后的烧制过程中后发生理化变化，分别形成堇青石相和透锂长石固溶体晶相。该低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷的微观结构为堇青石相和透锂长石固溶体晶相组成的复合晶相，该复合晶相对于传统的络合物单一晶相而言，具有更好的耐热冲击和抗热震性能，从而使低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准。此外，该低膨胀陶瓷坯料的组分中以堇青石代替了部分透锂长石，将透锂长石的含量控制在16％～20％，减少了透锂长石的用量，降低了原料成本；同时，该低膨胀陶瓷坯料将堇青石的含量控制在15％～20％，从而高岭土的含量能够达到40％～43％，进而该低膨胀陶瓷坯料能够适用于滚压成型，而不限于等静压成型，降低了设备成本。
一种上述的低膨胀陶瓷坯料在制备低膨胀陶瓷中的应用。上述制备方法使用的低膨胀陶瓷坯料具有成本低的优点，制得的低膨胀陶瓷具有耐热冲击和抗热震性好的优点。
在其中一个实施例中，将低膨胀陶瓷坯料制得低膨胀陶瓷的步骤包括上釉和釉烧处理步骤，其中釉烧处理的温度为1240～1250℃，时间为2.5～3.5小时。
一种上述的低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷。该低膨胀陶瓷具有良好的耐热冲击和抗热震性能。
具体实施方式
为了便于理解本专利，下面将对本专利进行更全面的描述，并给出了本专利的较佳实施例。但是，本专利可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本专利提供了一实施方式的低膨胀陶瓷坯料的制备方法，包括步骤s110至s130。
步骤s110：分别称量各组分的原料，原料按重量百分比计包括以下组分：堇青石15％～20％，透锂长石16％～20％，滑石16％～20％，莫来石4％～7％和高岭土40％～43％。
可选地，按重量百分比计，堇青石为15％～18％，透锂长石为17％～19％，滑石为18％～20％，莫来石为4％～5％及高岭土为41％～42％。
进一步地，原料中堇青石和透锂长石的粒径为40～80目，滑石、莫来石和高岭土的粒径为200～325目。各组分原料的颗粒不可过细或过粗，否则会影响其他共同球磨的原料最终的粒度分布，进而影响烧制过程中各组分的反应顺序。
可选地，原料中含有不超过4％的锂辉石，锂辉石的粒径为60～100目。锂辉石作为低膨胀陶瓷坯料的成分时，在随后的烧制过程中存在一些缺点：锂辉石会与其他组分反应形成透锂长石固溶体晶相，也就消耗了本应与铝镁尖晶石相反应的组分，导致由铝镁尖晶石相反应得到的堇青石相减少，最终影响低膨胀陶瓷的耐热冲击和抗热震性能。因此锂辉石的含量应当合理控制在4％范围内。
步骤s120：将滑石、莫来石和高岭土进行湿法球磨，制得粒度分布中d97为12～15μm的初级坯料。
具体地，在步骤s120中，湿法球磨中的原料、研磨球和溶剂的质量比为1：1：1.8，溶剂为水。
步骤s130：将堇青石、透锂长石和初级坯料进行湿法球磨，制得粒度分布中d97为60～80μm的低膨胀陶瓷坯料。
具体地，在步骤s130中，堇青石和透锂长石加入初级坯料的同时还需加入研磨球和水，保证原料、研磨球和水的质量比为1：1：1.8。
该制备方法减少了透锂长石的用量，降低了原料成本。由该制备方法制得的低膨胀陶瓷坯料适用于设备成本较低的滚压成型，而不限于使用等静压成型，同时由于其组分的粒径大小的差异，使其在随后的烧制过程中能够形成由堇青石相和透锂长石固溶体晶相组成的复合晶相，使最终制得的低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准。
本专利还提供了一实施方式的由上述低膨胀陶瓷坯料的制备方法制得的低膨胀陶瓷坯料。
为了使该低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准，低膨胀陶瓷坯料的固相由两种不同粒径的组分构成：滑石、莫来石和高岭土的粒度分布中d97为12～15μm，颗粒分布更紧密，颗粒接触面更大，在随后的烧制过程中，滑石(中的mgo)先与莫来石和高岭土(中的al2o3)反应生成镁铝尖晶石相，铝镁尖晶石相再与滑石、莫来石和高岭土(中的sio2)反应生成堇青石相；堇青石和透锂长石的粒度为60～80μm，颗粒分布较松散，颗粒接触面较小，在随后的烧制过程中后发生理化变化，分别形成堇青石相和透锂长石固溶体晶相。该低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷的微观结构为堇青石相和透锂长石固溶体晶相组成的复合晶相，该复合晶相对于传统的络合物单一晶相而言，具有更好的耐热冲击和抗热震性能，从而使低膨胀陶瓷的热膨胀系数满足低膨胀类的标准。此外，该低膨胀陶瓷坯料的组分中以堇青石代替了部分透锂长石，将透锂长石的含量控制在16％～20％，减少了透锂长石的用量，降低了原料成本；同时，该低膨胀陶瓷坯料将堇青石的含量控制在15％～20％，从而高岭土的含量能够达到40％～43％，进而该低膨胀陶瓷坯料能够适用于滚压成型，而不限于等静压成型，降低了设备成本。
本专利还提供了一实施方式的上述低膨胀陶瓷坯料在制备低膨胀陶瓷中的应用。上述制备方法使用的低膨胀陶瓷坯料具有成本低的优点，制得的低膨胀陶瓷具有耐热冲击和抗热震性好的优点。
具体地，低膨胀陶瓷坯料先依次经过过筛、除铁、搅拌、脱水、陈腐和练泥制成泥料，再经成型处理制成生坯，然后依次经过素烧、上釉和釉烧制成低膨胀陶瓷，其中釉烧的温度为1240～1250℃，时间为2.5～3.5小时。由于该低膨胀陶瓷坯料的组分及其质量百分比和粒径，使该低膨胀陶瓷坯料能够适用于滚压成型，减少了生产成本；其次，该低膨胀陶瓷坯料适用于上述釉烧条件，从而实现快速烧成，成品成型的过程中不易变形，同时节约了能耗并提高了生产效率。
本专利还提供了一实施方式的上述低膨胀陶瓷坯料制得的低膨胀陶瓷。该低膨胀陶瓷具有良好的耐热冲击和抗热震性能。
以下是具体实施例。
实施例1
准备原料，分别称得15kg的堇青石、20kg的透锂长石、20kg的滑石、4kg的莫来石和41kg的高岭土，其中堇青石和透锂长石原料的粒径为40目，滑石、莫来石和高岭土原料的粒径为200目。
将滑石、莫来石和高岭土的原料加入球磨机，同时加入65kg的研磨球和117kg的水，进行湿磨，用粒度仪对浆料进行检测，当浆料中的粒度分布中d97达到12μm时，即制得了初级坯料。
将堇青石和透锂长石原料加入初级坯料，同时加入35kg的研磨球和63kg的水，继续进行湿磨，用粒度仪对浆料进行检测；当浆料中的粒度分布中d97达到60μm时，停止球磨，得到低膨胀陶瓷坯料。
将低膨胀陶瓷坯料先经过150目的振动筛进行筛分，除去粒径过大的颗粒。
然后经过磁选机进行湿法磁选，除去浆料中的铁质。
再进行压滤脱水，除去浆料中的大部分水分，得到泥料。
将泥料先进行陈腐，使泥料中的水分和各组分更加均匀。
然后进行真空练泥，使泥料中的空气排出，提高泥料的密度，得到泥条。
最后将泥条进行滚压成型，制得低膨胀陶瓷生坯。
将低膨胀陶瓷生坯进行干燥和修坯后，进行素烧，素烧的温度为850℃，得到低膨胀陶瓷素坯。
将低膨胀陶瓷素坯进行精洗和上釉后，进行釉烧，釉烧的温度为1240℃，时间为3.5小时，得到低膨胀陶瓷。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于：
原料包括20kg的堇青石、16kg的透锂长石、16kg的滑石、7kg的莫来石、40kg的高岭土和1kg的锂辉石，其中堇青石和透锂长石的粒径为80目，滑石、莫来石和高岭土的粒径为325目，锂辉石的粒径为100目。湿法球磨时，初级坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到15μm，低膨胀陶瓷坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到80μm。釉烧的温度为1250℃，时间为2.5小时。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于：
原料包括18kg的堇青石、17kg的透锂长石、18kg的滑石、4kg的莫来石、42kg的高岭土和1kg的锂辉石，其中堇青石和透锂长石原料的粒径为60目，滑石、莫来石和高岭土原料的粒径为250目，锂辉石的粒径为60目。湿法球磨时，初级坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到13μm，低膨胀陶瓷坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到70μm。釉烧的温度为1250℃，时间为3.5小时。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于：
原料包括15kg的堇青石、19kg的透锂长石、20kg的滑石、5kg的莫来石和41kg的高岭土，其中堇青石和透锂长石原料的粒径为50目，滑石、莫来石和高岭土原料的粒径为280目。湿法球磨时，初级坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到14μm，低膨胀陶瓷坯料中的颗粒的粒度分布中d97达到65μm。釉烧的温度为1240℃，时间为2.5小时。
对比例1
与实施例1采用的原料及其重量百分比和粒径大小一致，球磨时将所有原料一次性共同湿磨，制得的坯料的粒度分布中d97达到12μm。其他过程相同。
对比例2
与实施例1采用的原料及其重量百分比和粒径大小一致，球磨时将所有原料一次性共同湿磨，制得的坯料的粒度分布中d97达到50μm。其他过程相同。
检测上述各实施例与对比例的低膨胀陶瓷的热膨胀系数，检测数据见表1。
表1
由表1的检测数据可见，由于本专利的低膨胀陶瓷坯料中各组分的粒径存在差异，在之后的烧制过程中小粒径组分先发生化学反应生成堇青石相，大粒径组分后发生物理反应生成堇青石相和透锂长石固溶体晶相，最终制得的低膨胀陶瓷由堇青石相和透锂长石固溶体晶相的复合晶相构成，具有较低的热膨胀系数，达到低膨胀类的指标。对比例1和2的陶瓷坯料中各组分的粒径不存在差异，因此在之后的烧制过程中各组分不存在按粒径大小依次进行反应的过程，无法生成堇青石相和透锂长石固溶体晶相的复合晶相，而是生成络合物单一晶相，制得的陶瓷的热膨胀系数没有达到低膨胀类的指标。
相较于传统技术，本专利在用堇青石替代部分透锂长石以减少透锂长石的用量的同时，保证了高岭土的质量百分比不低于40％，从而使本专利的低膨胀陶瓷坯料的成型处理适用于滚压成型而不限于使用等静压成型，因此，利用本专利的低膨胀陶瓷坯料制备低膨胀陶瓷的原料和设备成本更低，更适用于大规模生产。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本专利的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本专利的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。