人工合成金云母中期报告

1、西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）中期报告 题目：人工合成金云母 系 别 机电信息系 专 业 高分子材料与工程 班 级 B100209 姓 名 咸贵慧 学 号 B10020926 导 师 陈山川 张伟 2014年3月15日 1 设计（论文）进展状况云母是层状硅酸盐矿物的总称，具有绝缘、透明、耐热、耐腐蚀、易分剥并富有弹性等特性，广泛用于电机、电器、电子、无线电和家用电器等领域，在国民经济和国防建设中起着重要作用。最常见的天然云母有白云母、金云母、锂云母、绢云母、黑云母等。目前工业上大量应用的主要是白云母KAL2(ALSi3O10)(OH)2，其次是金云母KMg3(ALSi3O10)(

2、OH)2。在这两类云母中，白云母电性能较好，金云母耐热性能较高。从它们的化学式中可以看出，这两类云母结构中都含有羟基(OH），随着使用温度的升高,都会由于羟基失掉而使结构遭到破坏，失去云母的性能。一般在50左右白云母的羟基就会逐渐失掉，优质的金云母耐热也不会超过800，所以天然云母的使用范围受到很大限制。而且，天然云母杂质多，含矿率低，难以加工和分级，影响云母优良性能，并且天然云母多产于边远山区，开采条件差，交通不便，优质大片云母数量很少，出产量不足以供应市场，导致生产成本增高。因此人工合成云母显得尤为重要。合成云母和天然云母一样，属于层状硅酸盐材料，是按照天然云母的组份配料，根据云母晶体生长

3、规律生长出来的一类云母。其中最具有工业价值的是用（F） 取代金云母中的(OH） 形成的氟金云母（KMg3(ALSi3O10)F2），它较容易生成大的晶体，有很高的实用价值。所以，通常所说的合成云母就是指氟金云母。1.1 合成方法概述 氟金云母是一种多组份晶体，属于难于生长的晶体材料之一。它的化学式是（KMg3(ALSi3O10)F2），将适当组份的化工或矿物原料混合成炉料在常压下经高温熔融、冷却后便可得到氟金云母的晶体。目前比较成熟并且已普遍采用的方法是内热法和坩埚下降法（也称晶种生长法）。（1）电阻内热高温炉制法析晶是目前工业生产的主要方法。它与其它方法相比较，具有以下突出优点： 电能消耗少

4、，成本低；据美国矿业局电工实验室提供的资料，电能消耗为1kWh/kg，而我国大规模工业生产的电能消耗为0.60.8kWh/kg。 熔体全部被未熔化的配料所包围，不需要坩埚，设备简单。 熔化量大，工业生产上的熔化量每炉次可达10t以上。 熔化过程氟化物的挥发量小，保证晶化剂在整个析晶过程中处于饱和状态，有利于晶体的形成和生长。 晶体收率大，据美国工业生产上的经验，每炉产品的结晶率可达95%以上。但是用这种方法不能使晶体定向生长和缓慢降温，因此生成的晶体一般不大。电阻内热熔融法生产合成云母的基本过程是，将按配方计量过的各组分混合装入用耐火砖砌筑的高温炉中，由车台牵引到加热炉位，接通电源加热。由于合

5、成云母所使用的原料在常温下都不导电，是电的绝缘体，完全依靠“电极-电阻-电极”形成回路后的电阻焦耳热将混合粉体局部加热到熔点。只有达到熔点的熔体才具有导电性，形成“电极-熔体-电极”回路，在炉内通过对流、传导和辐射等传热方式，形成具有一定温度场的高温环境，直至使全部原料融化。（2）坩埚下降晶种法是以内热法剥离后剩余的碎晶片为原料，放人铂坩埚，在大型硅铂棒加热炉内熔融。坩埚内装有晶种，晶体在给定温度下，沿晶种方向定向生长。这种方法的优点是云母晶体定向生长，可以获得书板状大晶体。这种方法的缺点是耗电量大，生产周期长，需使用铂坩埚，因此生产成本高，产量受到限制。坩埚下降晶种法生产合成云母的基本过程是

6、，将配制好的原始混合组分经计算后装入坩埚,一般不要装的太满，以不超过坩埚体积的3/4为宜，装好后密封或加盖。缓慢升入保持在一定温度的晶体生长炉内，坩埚上部装有原料的部位置于炉内高温区熔化，同时亦使晶种上端局部熔融，下端则以原状保持在低温区，然后缓慢下降坩埚，熔体在固液界面上即可按晶种的方向定向生长，最后形成充满坩埚的书本状大面积氟金云母单晶块。在坩埚下降过程，炉温保持固定，并要求较高的稳定度，温度波动保持在1以内。为使原料充分熔化，通常炉内的最高温度区为1450,并在高温区保温4小时。1.2 合成方法发展状况（1）早在1963年，中国科学院硅酸盐化学与工学研究所的谭月罴、何崇藩院士，采用内热法

7、，选用滑石、氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾和碳酸钾等五种原料，在理论基础上进行了20公斤熔量规模的合成氟金云母实验。滑石为工业用滑石粉，氧化铝和氧化镁亦均为工业原料，氟硅酸钾和碳酸钾为三级化学试剂。滑石和氧化镁在配料前经焙烧脱水处理。配料组成尽量采取接近于氟金云母按其分子式KMg3(ALSi3010)F2计算的化学组成。接近氟金云母理论组成KMg3(ALSi3010)F2的熔体最易析出良好的晶体。其采用的原料及配料的化学分析数据示于表1。表1 原料的化学分析和配料的化学组成组分成分SiO2AL2O3MgOK2OF2CaOFe2O3滑石63.081.6034.280.420.40氟硅酸钾26.5841

8、.6850.43氧化铝0.0998.940.05氧化镁0.6992.980.240.43碳酸钾0.0168.11 其采用内热法制得的合成云母晶体，如图：（2） 人工晶体研究院科研中心主任王国方与中材高新材料股份有限公司的欧阳胜林，在2007年，采用坩埚下降法（晶种生长法），选用的原料有生料及熟料两种，并以生、熟料混合使用。生料与熟料的混合率为3:7。 生料 使用海城产的滑石和氧化铝、氧化镁、氟硅酸钾及碳酸钾等化学试剂配成。 熟料 以内热法或在煤气炉内大坩埚大批熔制成的云母晶体块捣碎，再用盐酸与氟硼酸的混合液处理,除去玻璃相及杂质矿物,经水洗干燥后使用。 其采用的各种原料的化学组成如表2所示。表

9、2 原料的化学分析和配料的化学组成 组分成分SiO2AL2O3MgOK2OF2Fe2O3CaO滑石59.20.2132.580.070.120.54氧化铝93.370.02氧化镁88.00碳酸钾0.0168.11氟硅酸钾22.951.6043.4552.770.480.78 其采用坩埚下降法制得的合成云母晶体，如图：1.3 合成氟金云母的特性 氟金云母的微观结构和天然金云母很相近，不同是八面体中的(O H)一位置被(F)一取代了，因此氟金云母具有许多新特性。 耐高温。氟金云母耐热性能远远超过天然白云母和金云母是一种良好的耐高温材料。研究表明1200以上氟金云母的微观结构才开始变异，开始失去F一

10、，宏观上出现失去透明现象，性能发生变化。因此，氟金云母长期使用温度应在1100左右。 绝缘性能好。氟金云母晶体成分纯，是一种 良好的绝缘材料。铁一类有害杂质含量甚微，电绝缘性能可以和优质夭然白云母媲美。多次试验证明，内热法合成的氟金云母晶体击穿强度1 80 KV/mm，体积电阻系数1 5cm表 面 电 阻1 012，介电常数在6.3左右。 透光性好。有弹性氟金云母晶片是清澈透明的晶体，可见光穿透性能很好，可以用作窗口材料，高压锅炉水位计选用晶种法生长的大晶体代替优质天然云母可大大延长使用寿命。晶片还可以透过红外线微波及X射线，广泛用作微波窗口材料。 其它特性。高频介电损耗低，化学性能稳定耐强酸

11、强碱腐蚀，具有止焊性真空放气极低，是良好的真空绝缘材料，多用于高可靠、宽频带、长寿命的电子管。1.4 氟金云母的综合利用 （1）合成氟金云母粉内热法合成氟金云母晶块，破碎后，在专用气流粉碎机中磨细，一般可以磨到一-320目。这种粉料可以直接用于消防灭火和无氢焊接，也可以用作保温、隔热、绝缘材料，还是很多其它合成氟金云母制品的原料。 （2）氟金云母的熔铸制品 利用氟金云母熔体的流动性和可铸性好的特点，将氟金云母小碎块加人适量的成核剂熔化后，倒人各种不同形状的模具中，能铸成各种制品。可以用内热法无坩埚熔化，也可以用粘土坩埚在硅钼棒加热炉内熔融。铸件必须在退火炉内退火，以防炸裂。铸件是一种具有玻璃体

12、外表，内部结构为微晶体的产品，外硬内软。这类制品的主要优点是耐高温，使用温度可达1100；电绝缘性好，击穿强度6.112.I K V/mm，介电常数6.0左右，体积电阻系数4.3 51 013m。铸件可以一次成形直接使用，也可以进行机械加工，可加工性与铸铁相似。此外，这类产品还具有抗热震好，膨胀系数低，耐急冷急热，耐铝液熔蚀等特性。这类产品已进行技术鉴定，广泛用作耐热绝缘支撑件和工业部门输送铝熔液设备。 （3）氟金云母陶瓷制品 这类制品品种繁多。以氟金云母粉为原料，加人适量的玻璃制成，可以热压成型，也可以注射成型。这里仅介绍一种新产品一云母微晶玻璃。主要组分为SiO2、MgO、K2O、F等。制

13、作过程是先形成玻璃，再进行微晶化处理形成陶瓷。这种材料的优点是质密，真空中不放气，机加工精度高，广泛应用于真空器件，仪器的绝缘器件和骨架材料。 (4) 氟金云母纸内热法合成氟金云母碎晶块破碎后，经水冲洗干净，水力分剥和制浆，不加胶，依靠薄片之间的吸附力，便能在抄纸机上抄成云母纸。这种纸保持了氟金云母的耐高温，绝缘好的特性，是压制板材的主要原料。 (5) 无机薄膜将内热法碎晶片分剥成极薄的鳞片，在专用设备上，加无机胶制成一种很薄的纸膜。这种纸膜柔软，可以弯折，耐热高达800以上，击穿电压约为20KV/mm，是各种异形加热器的良好绝缘材料。（6）耐热、耐潮湿报金云母层压板这种板材是用氟金云母纸为原

14、料，用特制的无机粘合剂浸制，按照一定的热压工艺在压机上压制而成。其优点是耐高温，使用温度可达900，耐潮湿性好，沸水中煮20分钟不软，不分层；绝缘性好，击穿强度可达36 42K v/mm，表面电阻5.01014，体积电阻系数为介电常数为1.01015cm，这种材料已进行部级鉴，批量生产，广泛用于电熨斗、电饭锅等家用电器上。经实际应用，很受家用电器厂家欢迎。在多次全国和省市家用电器质量评比中，凡应用了该材料的产品，均名列前矛。板材的厚度可以根据用户要求生产。 （7）合成氟金云母珠光颜料氟金云母粉还可以制成具有美丽光泽、无毒、耐酸、耐碱、耐高温、化学性稳定的珠光颜料。用于塑料、油漆、化妆品，可使制品具有珍珠光泽，是一种理想颜料。目前，合成氟金云母作为耐高温绝缘材料在我国还处于推广应用阶段。作为一种新材料，它将逐渐被认识和了解，应用必然愈来愈广泛。2. 存在问题及解决措施 1）高温陶瓷坩埚，如氧化铝（刚玉）坩埚，会因温度激变而易发生破裂。难熔贵金属坩埚，如铂坩埚，坚固耐用不易发生破裂，但成本太高。使用坩埚前必须要充分预热。 2）将样品做TGA测试时，云母的特征峰未出现。可能是坩埚被侵蚀影响了熔体的组成，