一种高强度MgAlON-SiC@镁铝尖晶石空心球的制备方法

本发明属于耐火材料轻质骨料领域，具体涉及一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法。

背景技术：

1、随着高温工业节能降耗和绿色发展的迫切需求，耐火材料的轻量化设计已成为行业发展的重要方向。轻质耐火骨料作为轻质耐火制品的核心组成部分，其性能直接决定了制品的隔热保温效果和使用寿命。传统轻质耐火骨料如氧化铝空心球、漂珠等，虽然密度低、隔热性好，但普遍存在抗压强度低、抗热震性差的问题，在运输、施工和高温使用过程中容易破碎，导致制品隔热性能下降和使用寿命缩短。

2、镁铝尖晶石空心球具有熔点高（2135℃）、热导率低、化学稳定性好等优点，是一种极具潜力的轻质耐火骨料。然而，现有技术制备的镁铝尖晶石空心球为单一相结构，为了获得较低的体积密度，往往需要提高气孔率，这不可避免地导致其抗压强度显著降低，难以满足高温窑炉苛刻工况的使用要求。

3、“一种刚玉-cma-镁铝尖晶石梯度复合空心球及其制备方法”（cn120271358a），公开了一种梯度复合空心球，采用单一梯度壳层结构，以刚玉、钙镁铝酸盐、尖晶石复相制备空心球，依靠多相复合改善耐高温性能；但是该文献未引入碳化硅耐磨相，低温烧结下物相结合力弱，高温载荷下壳层易开裂，空心球结构稳定性差，无法兼顾高强度与低导热性。

4、“一种蛋壳式镁铝尖晶石空心球及其制备方法”（zl202311322247.0），公开了一种薄壳蛋壳型镁铝尖晶石空心球，利用有机模板包覆烧结制备空心球，简化了传统空心球制备工艺；但该方案为纯尖晶石单相材质，无第二相强化相、无氮化改性处理，材料内部晶格缺陷多，高温热震循环后极易出现壳层剥落，且未进行表面包覆改性，耐侵蚀、耐磨性能差，严苛高温工业工况适配性不足。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题，提供一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球轻质骨料的制备方法。

2、本发明首先制备活性镁铝尖晶石空心球，以高纯度、超细粒度的电熔镁砂细粉、氧化铝粉、金属铝粉为核心原料，搭配稀土氧化物添加剂与固含量可控的铝溶胶，以聚丙烯球为模板载体，经混料、包覆、低温干燥、高温空气热处理后制得结构稳定的活性镁铝尖晶石空心球；随后以该空心球为基体，将其快速浸入由高纯度sic细粉、金属铝粉、复合催化剂、有机硅树脂与丙酮复配制成的前驱体溶液中，经沸腾床干燥得到前驱体粉体，最后在氮气保护氛围下采用微波氮化工艺低温快速烧结，制备得到mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球复合材料。

3、本发明通过模板法构筑空心基体结构，结合微波氮化原位生成mgalon相，同时引入sic相实现协同增韧补强，有效解决了传统镁铝尖晶石空心球强度低、耐高温冲刷性能差、结构稳定性不足的技术缺陷。本发明工艺参数可控、制备流程简洁，原料配比科学，制得的空心球兼具轻质、高强、耐高温、抗侵蚀的优异特性，可广泛应用于高温工业窑炉、特种耐火衬体等高温严苛工况领域，具备良好的应用前景与推广价值。

4、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，以下份数均为重量份数：

5、步骤一、制备活性镁铝尖晶石空心球；

6、将25～45份电熔镁砂细粉、15～35份氧化铝粉、3~7份金属铝粉投入辊式混料机干混1-5h，制得预混料；

7、将1~3份添加剂加入2~6份铝溶胶中搅拌0.5-2.5h，制得混合溶液；将聚丙烯球和混合溶液按照质量比为3~5:1搅拌混合，再加入预混料持续搅拌至聚丙烯球表面形成均匀的包覆前驱体；将包覆前驱体在100~150℃干燥，随后在空气气氛、升温速率3~5℃/min条件下1200~1400℃热处理1~2h，冷却得到活性镁铝尖晶石空心球；

8、步骤二、

9、将25～45份电熔镁砂细粉，2~6份金属铝粉，4~10份sic细粉，0.2~1.8份催化剂，3~8份有机硅树脂和2~4份丙酮混合，搅拌0.5~2.5h制得前驱体溶液；将步骤一得到的活性镁铝尖晶石空心球浸入前驱体溶液1~5s，迅速转移至沸腾床干燥，干燥150~250℃制得前驱体粉体；再在氮气条件下，将前驱体粉体放入微波氮化炉中经1000~1200℃微波处理30~50min，即得到这种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球。

10、所述电熔镁砂细粉纯度≥98%，粒度≤1μm；

11、所述氧化铝粉纯度≥99%，粒度≤1μm；

12、所述金属铝粉纯度≥99%，粒度≤1μm；

13、所述步骤一中的添加剂为氧化钇、氧化铈或氧化镧中的一种或多种；

14、所述铝溶胶固含量20%～25%；

15、所述聚丙烯球的粒度为≤1mm。

16、所述sic细粉纯度≥99%，粒度≤5μm；

17、所述催化剂为硝酸铁，硝酸镧，硝酸镍中的一种或多种；

18、所述有机硅树脂为甲基有机硅树脂、乙烯基有机硅树脂和甲基苯基有机硅树脂中的一种或多种。

19、本发明运用于耐火材料领域轻质骨料的制备。

20、本发明首先制备具有多孔结构的活性镁铝尖晶石空心球内核，其表面存在大量活性位点，能够与步骤二中的前驱体溶液中的组分发生化学反应，实现核壳层的化学结合；然后采用浸渍法在活性内核表面均匀包覆mgalon-sic复合前驱体，再通过微波氮化工艺实现快速、均匀的加热，促进金属铝粉与氮气、镁砂、sic之间的原位反应，生成mgalon相和sic晶须，形成致密、高强的复合壳层；mgalon相具有优异的高温强度和抗热震性，sic晶须则起到桥接和增韧作用，二者协同作用显著提高了空心球的综合性能。

21、本发明的有益效果为：本发明制备的mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球具有独特的核壳结构，内核为多孔活性镁铝尖晶石，经过前驱体溶液浸渍后，在后续微波氮化处理时在核壳结构之间形成致密的mgalon-sic层，既减少了核壳厚度，保证了较低的体积密度；又实现了核壳结构间的紧密结合，显著提高了空心球的抗压强度，实现了轻质与高强的完美结合。同时采用微波氮化工艺，加热速度快、温度均匀、反应时间短，不仅降低了能耗，而且形成晶粒细小、结构致密的复合壳层，显著提高了空心球的抗热震性和高温稳定性。

22、本发明通过模板法构筑空心基体结构，结合微波氮化原位生成mgalon相，同时引入sic相实现协同增韧补强，有效解决了传统镁铝尖晶石空心球强度低、耐高温冲刷性能差、结构稳定性不足的技术缺陷。本发明工艺参数可控、制备流程简洁，原料配比科学，制得的空心球兼具轻质、高强、耐高温、抗侵蚀的优异特性，可广泛应用于高温工业窑炉、特种耐火衬体等高温严苛工况领域，具备良好的应用前景与推广价值。

1.一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：以下份数均为重量份数：步骤一、制备活性镁铝尖晶石空心球；将25～45份电熔镁砂细粉、15～35份氧化铝粉、3~7份金属铝粉投入辊式混料机干混1-5h，制得预混料；将1~3份添加剂加入2~6份铝溶胶中搅拌0.5-2.5h，制得混合溶液；将聚丙烯球和混合溶液按照质量比为3~5:1搅拌混合，再加入预混料持续搅拌至聚丙烯球表面形成均匀的包覆前驱体；将包覆前驱体在100~150℃干燥，随后在空气气氛、升温速率3~5℃/min条件下1200~1400℃热处理1~2h，冷却得到活性镁铝尖晶石空心球；

2.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：电熔镁砂细粉纯度≥98%，粒度≤1μm，氧化铝粉纯度≥99%，粒度≤1μm，金属铝粉纯度≥99%，粒度≤1μm。

3.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：步骤一中的添加剂为氧化钇、氧化铈或氧化镧中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：催化剂为硝酸铁，硝酸镧，硝酸镍中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：有机硅树脂为甲基有机硅树脂、乙烯基有机硅树脂和甲基苯基有机硅树脂中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：铝溶胶固含量20%～25%。

7.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：聚丙烯球的粒度为≤1mm，sic细粉纯度≥99%，粒度≤5μm。

8.根据权利要求1所述的一种高强度mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球的制备方法，其特征在于：制备的mgalon-sic@镁铝尖晶石空心球具有独特的核壳结构，内核为多孔活性镁铝尖晶石，经过前驱体溶液浸渍后，在后续微波氮化处理时在核壳结构之间形成致密的mgalon-sic层。。