[发明专利]一种高强度低密度陶瓷空心球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度低密度陶瓷空心球及其制备方法，属于无机非金属材料成形技术领域。

背景技术

深潜技术是国防安全和海洋资源开发技术的重要组成部分。海洋资源，尤其是深海资源的开发和利用，在各发达国家的发展战略中均占有重要地位。深海探测技术是深海资源开发利用的关键，而深海浮力材料则是实现深海探测的重要保证。为了提高具有足够净浮力的深潜拖体、深潜器和水下机器人的耐压性、结构稳定性，轻质高强固体浮力材料的制备是最关键的环节之一。

固体浮力材料是一种复合材料，密度低而强度高。固体浮力材料一般可由树脂基体发泡或在树脂基体中加入轻质填料而制得。发泡法制得的固体浮力材料强度低，仅适用于浅海。深海中使用的固体浮力材料一般由树脂基体加入轻质填料而制得。制备轻质高强固体浮力材料的前提则是制备出密度低、强度高的填充材料。用于固体浮力材料的轻质填料有无机微球、有机微球和金属微球三大类。其中，在深海领域使用最多的是中空玻璃微球。目前，我国尚无生产深海用中空玻璃微球的能力。在深海领域使用的中空玻璃微球均为国外公司，如3M、Emerson&Cuming公司等的产品。高强空心微球的制备是限制我国大深度浮力材料研究及生产的关键技术。

由于玻璃自身强度的原因限制了中空玻璃微球的应用，而陶瓷则有远高于玻璃的强度，早在20世纪60年代就有研究者进行空心陶瓷球的研制。常用于空心球制备的陶瓷材料多为氧化物，如氧化铝。由于所使用陶瓷的密度较大，且难于得到壁足够薄的空心球，为满足固体浮力材料的要求，所制备的陶瓷空心球多为大球，直径在100mm到200mm之间。但大直径陶瓷球在使用中一旦有一个破裂，会造成雪崩效应，带来毁灭性的灾难，因此尚未实用。到目前为止，我国尚无用于深海固体浮力材料的陶瓷空心球的专利报道。

中国专利中可查到多项关于陶瓷空心球的专利，比如：专利200510061293.5、200510061294.X、201010120320.2、201010120316.6、201010188796.X、201110057981.X、201110057983.9、201110145156.5、201110145188.5、201110145615.X、201110145627.2和201110145671.3中，将刚玉等原料在炉中熔炼，用空气喷吹得到相应材质的空心球。使用此工艺，得到的陶瓷空心球壁较厚，密度大于0.7g/cm³。而且该工艺中要对陶瓷原料熔化，需要高温(>2000°C，最高的达3100°C)，能耗很大。此外，该工艺得到的陶瓷空心球粒径分布大，需筛分工序。专利200610017765.1中，把锯木屑做成模板，用滚球的方法在外面裹上一层硅铝系耐火材料，烘干、煅烧制成硅铝空心球。此专利中，由于采用锯木屑做成模板，得到的陶瓷空心球内壁粗糙，大大降低了其抗压强度。专利96248613.2中，以聚苯乙烯发泡球为模板，以聚乙烯醇为粘接剂，在成球机中裹上硅铝耐火粉料，烧制后得到耐火空心球。此专利中得到的陶瓷空心球密度约0.5 g/cm³，但表面不光滑，有凸起，耐压强度低。因此，利用上述专利中的技术制备出的陶瓷空心球，不能同时满足壁薄、密度小、强度高的要求，仅能用作耐火材料。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高强度、低密度、壁薄且内外壁光滑的陶瓷空心球。

本发明的另一个目的是提供上述陶瓷空心球的制备方法。

一种高强度低密度陶瓷空心球，其特征在于其外径为4-40mm，壁厚为0.06-1.2mm，内外壁光滑，密度为0.2-0.7g/cm³，耐水静压强度为20-200Mpa，外壁材料为为Al₂O₃、SiO₂、ZrO₃、SiC、Si₃N₄、BN、B₄C中的一种或两种或三种。

为了达到上述目的，本发明采用的工艺过程如下：

1) 以炭黑和面粉为原料，加水混合炼制，挤出得到直径均匀的圆柱形泥条；

2) 将得到的泥条在制丸机中得到模板球；

3) 将模板球放入滚球机，在一定转速和角度下，在模板球上喷洒少量水，然后一次投入一定量的陶瓷粉形成内部包裹有含碳模板球的陶瓷坯体；

4)  陶瓷坯体依次经自然晾干、低温煅烧、中温煅烧排碳，再经高温烧结而制成陶瓷空心球。