一种分相陶瓷材料的制造方法

一种分相陶瓷材料的制造方法

技术领域

本发明属于材料化学和材料科学领域，涉及材料设计、材料化学和材料工艺学等相关技术。

背景技术

材料从其析晶情况可非为晶体材料和非晶材料，晶体材料按照其包含的晶型的种类可以分为单晶材料和多晶材料，非晶材料按照其包含的非晶相的种类，可以分为均相非晶材料和分相非晶材料；具有单一相的为均相非晶材料，如玻璃等，具有两种以上非晶相的为分相非晶材料，简称分相材料。

分相材料最早出现在陶瓷釉中，同一种配方的陶瓷釉经高温熔融后冷却过程中，产生化学组份不同的、相互穿插均匀分布的两种或多种非晶相，即分相釉，早在宋朝的钧瓷和德化建窑黑瓷就是典型的分相釉陶瓷；早期分相釉陶瓷的出现带有很大的偶然性，完全是由于陶瓷釉配方碰巧落在陶瓷相图的分相区，而出现陶瓷分相釉，由于陶瓷分相釉呈现迷人的艺术效果而备受重视。

微晶玻璃是以分相理论为基础而发明的一种高强度特种玻璃，最早由美国CORNING公司发明，其原理是均一的玻璃相首先产生分相，其中一个非晶相中析出纳米尺寸的晶相，形成纳米晶相均匀分布在另一种非晶相中特殊材料。

分相材料的设计是以相图为基础进行的材料设计，目前二元相图多数具有较完整的相图，可以直接根据二元相图的分相区进行材料设计，三元相图通常只有部分相图截面，而三元以上的相图往往难以表征，只有少数的相图截面。

发明内容

本发明公开一种以相图为基础进行分相材料的设计方法，是一种半经验的材料设计方法，应用化学模式识别技术对已有的相图进行模式聚类分析，总结出相图分相区的经验分布规律，建立相图中出现分相区的经验数学模型。

针对需要设计的材料种类，应用上述数学模型寻对应的相图分相区，作为分相材料设计的基础。

在上述相图分相区中到所要设计的分相材料的化学组成点，以此点的化学计量为基础，应用逆映照算法，计算出制造分相材料的化学组成；再根据所选择的原料，应用目标规划算法计算出原料配方。

按照设计好的原料配方配制分相材料配合料，加热到使其完全熔融且高于分相区间的温度，缓慢冷却进入分相区间，恒温一定的时间，充分产生分相，将分相材料冷却到两相凝固点之间的某个温度点，使一相析晶，另一相保持熔融态，再快速冷却，形成一个晶相均匀分散在另一个非晶相之中的复合形态。

应用本发明公开的方法，可以制造具有特殊性能的分相陶瓷材料，例如（但不仅限于）由一种微晶材料均匀分散在另一种非晶材料之中而形成的分相陶瓷材料等，通过材料设计方法，可以使得分相陶瓷材料中的微晶相具有特殊的磁性或电导率，当各种电磁波通过分相陶瓷材料中的透明非晶相，到达微晶相时，具有高磁性或高电导率的微晶相具有使电磁波衰减的性能，从而实现吸波功能。

实施例一：一种具有吸波性能的分相陶瓷材料的设计和制造方法，包括以下步骤：

1）在铁镍钠铝硅酸盐体系相图中，经过模式识别聚类分析算法的计算，到钠铝硅酸盐与铁酸镍共存的分相区域；

2）应用逆映照算法，从上述分相区域推导出分相陶瓷材料的化学组成；

3）应用四氧化三铁、硝酸镍、石英、氧化铝、碳酸钠等原料，应用数学规划算法，计算出分相陶瓷材料的配方；

4）按照设计好的分相陶瓷配方配制原料，经粉碎和球磨后，加热到摄氏2000度以上，完全熔融；

5）降温至分相区域，保温产生钠玻璃相和铁酸镍相、四氧化三铁相的分相陶瓷材料，再降温至铁酸镍和四氧化三铁结晶区域，保温产生铁酸镍和四氧化三铁的析晶，再快速冷却到室温，得到铁酸镍和四氧化三铁纳米微晶均匀分散在钠玻璃相中的分相陶瓷材料；

6）由于铁酸镍和四氧化三铁具有永久磁性，其纳米微晶具有尺寸小、表面积大、分散度高等纳米材料的特征，这种分相陶瓷材料可以使较宽频率的电磁波信号大幅度衰减，同时这种分相陶瓷材料具有耐高温、高强度的特征，成为一种性能优异的吸波材料。

实施例二：一种吸收光波的分相陶瓷材料的制造方法，包括以下步骤：

1）在铁锰钴钙铝硅酸盐体系相图中，经过模式识别聚类分析算法的计算，到硅铝酸钙与铁酸锰钴共存的分相区域；

2）应用逆映照算法，从上述分相区域推导出分相陶瓷材料的化学组成；

3）应用氧化铁、氧化锰、氧化钴、石英、氧化铝、碳酸钙等原料，应用数学规划算法，计算出分相陶瓷材料的配方；

4）按照设计好的分相陶瓷配方配制原料，经粉碎和球磨后，加热到摄氏2000度以上，完全熔融；

5）降温至分相区域，保温产生硅铝酸钙非晶相和铁酸锰钴相的分相陶瓷材料，再降温至铁酸锰钴结晶区域，保温产生铁酸锰钴的析晶，再快速冷却到室温，得到铁酸锰钴纳米微晶均匀分散在硅铝酸钙非晶相中的分相陶瓷材料；

6）由于铁酸锰钴具有很高的黑度，其纳米微晶具有尺寸小、表面积大、分散度高等纳米材料的特征，这种分相陶瓷材料可以使较宽波段的可见光大幅度衰减，同时这种分相陶瓷材料具有耐高温、高强度的特征，成为一种性能优异的消光材料。

 实施例三：分相陶瓷釉的制造，钧瓷釉和天目釉都属于分相釉，但是这两种瓷釉的制造皆使用纯粹经验配方，在配方的确定方面没有任何理论基础，按照本发明公开的分相材料设计和制造方法，设计了一种青瓷分相釉，是此前陶瓷史上从未出现过的分相陶瓷釉，其制造方法包括以下步骤：

1）在铁钙铝硅酸盐体系相图中，经过模式识别聚类分析算法的计算，到低铁高钙的铝硅酸盐相图分相区域；

2）应用逆映照算法，从上述分相区域推导出分相陶瓷釉的化学组成，一个优选的方案是氧化铁含量在1%以下，氧化钙含量在20%以上，氧化硅含量在50%‑65%范围内，氧化铝含量在15%‑20%范围；

3）应用两种瓷石、高岭土、石灰石、氧化铁和草木灰等原料，应用数学规划算法，计算出分相陶瓷釉配方；

4）按照设计好的分相陶瓷釉配方配制原料，经粉碎和球磨后，涂覆在高岭土和瓷石二元配方的瓷胎上；

5）经缓慢升温，加热到摄氏1280度至1350度烧成，冷却至摄氏1180度至1230度的分相区，保温60分钟至120分钟，然后自然冷却，得到具有丰富彩的青瓷分相陶瓷釉。