專利名稱：孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種多孔材料及其制備エ藝，尤其是ー種孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的Ti2AlO5基多孔復(fù)合材料及其制備方法，屬于材料合成與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，減少汽車尾氣排放保護環(huán)境是全球范圍內(nèi)關(guān)注的焦點。目前，對汽車尾氣凈化用的催化劑載體材料主要有陶瓷和金屬兩類。為了固定催化劑，通常在載體表面均勻地涂覆ー層高比表面積的Y-Al2O3涂層，然后再把貴金屬活性催化劑成分附載在其表面上。對于金屬載體，因為Y -Al2O3涂層與金屬基體的熱膨脹系數(shù)有較大的差異，易使涂層和催化劑從載體上脫落，從而失去催化浄化效果。而對于陶瓷載體，得到廣泛應(yīng)用的是堇青石和碳化硅陶瓷載體材料，其結(jié)構(gòu)是蜂窩狀，稱為蜂窩陶瓷載體。因為堇青石載體材料的熱導(dǎo)率 低、強度不足，導(dǎo)致汽車?yán)鋯訒r催化劑起燃慢，且汽車行駛顛簸時容易破碎。碳化硅載體材料盡管熱導(dǎo)率高，強度高，耐高溫性好，但線漲系數(shù)大，耐熱沖擊性差。加之目前催化劑載體的制備エ藝，使得催化劑載體的壁面均為光滑平直的，不利于催化劑的負(fù)載。因此，目前在用的催化劑載體從材料自身的性能到載體的制備エ藝，都難以滿足日益嚴(yán)苛的汽車尾氣排放技術(shù)要求，開發(fā)性能優(yōu)異的載體材料及孔型理想的制備エ藝具有重要意義。鈦酸鋁(Al2TiO5)材料是集低膨脹系數(shù)和高熔點為一體的陶瓷材料，且具有抗渣、耐蝕、耐堿和對多種金屬及玻璃的不浸潤的特點，被廣泛應(yīng)用于抗熱震、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕、抗堿等條件苛刻的環(huán)境，特別是要求高抗熱震的場合。中國專利CN200780045679. 4發(fā)明了ー種Al2TiO5質(zhì)蜂窩狀陶瓷的制造方法，此方法是以TiO2和Al2O3粉末為原料制成坯體后進(jìn)行燒結(jié)，得到直通孔的Al2TiO5質(zhì)蜂窩陶瓷載體。日本專利2005-519834和W02005/018776，公開了通過調(diào)整TiO2和Al2O3粉末的配比、加入添加劑等，抑制Al2TiO5的熱分解，提高抗壓強度的技木。中國專利公開號CN101607830A公開了ー種纖維增強鈦酸鋁復(fù)合材料以及制品的制備方法，它直接以a -Al2O3和鈦黃粉為原料采用反應(yīng)燒結(jié)法合成鈦酸鋁，并在配合料中加入防止鈦酸鋁分解的穩(wěn)定劑和起增強作用的莫來石纖維，提高了材料的強度。中國專利申請?zhí)?00980115069. 6發(fā)明了ー種鈦酸鋁自身為多孔質(zhì)的新型多孔質(zhì)鈦酸鋁，該方法通過多孔質(zhì)鈦酸鋁粉體本身燒結(jié)，從而形成更加多孔質(zhì)的鈦酸鋁燒結(jié)體。中國專利申請?zhí)?00910180843. 3發(fā)明了ー種氮化鋁/碳化硅/鈦酸鋁多孔陶瓷及其制備方法，采用氮化鋁、碳化硅、鈦酸鋁為原料，通過添加石蠟，制備了孔隙率60-80%的多孔陶瓷，提高了材料的隔熱能力。中國專利申請?zhí)?00810136970. 9公布了ー種氧化鋁/鈦酸鋁多孔陶瓷及其制備方法，此方法通過采用納米級氧化鋁、氧化鈦粉體原料燒結(jié)得到多孔氧化鋁/鈦酸鋁復(fù)合多孔陶瓷材料。上述專利雖然通過不同方法合成Ti2AlO5多孔材料，并制成了不同孔型的多孔材料。但純粹的Al2TiO5陶瓷材料壁面相對光滑，很難滿足汽車尾氣凈化器載體在負(fù)載催化劑時要求高的比表面積及良好的催化轉(zhuǎn)化效果的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種孔內(nèi)帶有納米級晶須或棒晶的Al2TiO5基多孔復(fù)合材料以及具有這種孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的制備方法，這種復(fù)合材料內(nèi)部的孔洞壁面上長有徑向尺寸為 納米級的TiAl和Al2O3晶須或棒晶，有利于催化劑涂層與孔壁的結(jié)合，更能提高孔洞的比表面積，有利于用于催化劑載體時的催化和轉(zhuǎn)化。本發(fā)明的技術(shù)方案為ー種孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3為原料、以尿素為造孔劑燒結(jié)Ti2AlO5多孔材料，隨后該多孔材料高溫下浸入純Al熔體中，最終形成的在孔洞壁面長有Al2O3和TiAl晶須或者棒晶的多孔材料。優(yōu)選的是，所述的晶須或者棒晶的長度為O. 2 2. Omm,多孔材料的孔徑2. 2 3. 3mm，孔隙率為53. 3 75. 8%，抗壓強度為4. 4 8. 5Mpa。所述的孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料的制備方法，包括以下步驟第一歩備好エ業(yè)純的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔劑尿素顆粒以及Al錠，其中TiO2, Al2O3粉末粒度為200目，尿素粒徑2 3mm ;第二步=Al2TiO5多孔材料燒結(jié)合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3 = I I (mol)稱量，按照體積比50 80%，量取尿素顆粒，均勻混合后裝入模具中，采用模壓成型方法，在200Mpa壓カ下壓制成圓柱形壓坯；再將壓坯放進(jìn)電阻爐中，加熱到300°C保溫I. 5小時，尿素顆粒完全揮發(fā)；將壓坯放入電阻爐中，在1400 1500°C燒結(jié)3小時，燒結(jié)后取出樣品空冷，獲得大孔徑Al2TiO5多孔材料；第三歩熱浸鍍鋁將エ業(yè)純Al錠放入Al2O3坩堝中，在氬氣保護下加熱到800°C，Al錠全部熔化，將大孔徑的多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持5 10分鐘，Al液體滲入多孔材料中，提取多孔材料后，在爐中隨爐溫下降至650°C，在孔壁上獲得ー層厚度20 30 μ m的鋁膜；第四步孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl晶須或者棒晶生長待爐溫降至650°C，停止通氬氣并打開爐門I分鐘，使空氣進(jìn)入爐中，然后650°C加熱、保溫25 50分鐘，部分Ti2AlO5分解生成TiO2和Al2O3, Al膜自身氧化同時又與TiO2反應(yīng)生成Al2O3, Ti與Al反應(yīng)生成耐高溫氧化性能優(yōu)異的TiAl相，在孔洞壁面原位生成Al2O3和TiAl的晶須或者棒晶?？锥幢诿娴腡iAl和Al2O3的棒狀及晶須的反應(yīng)生成原理如下Al2Ti05+Al+02 — Al2Ti05+TiAl+Al203本發(fā)明的有益效果為①以TiO2和Al2O3粉末為原料，以尿素為造孔劑，以純Al錠為熱浸鍍原料，通過將燒結(jié)反應(yīng)、熱浸鍍技術(shù)相結(jié)合，首先獲得帶有Al涂層的多孔Al2TiO5基體復(fù)合材料，再經(jīng)高溫氧化成為孔洞壁面帶有Al2O3和TiAl晶須或者棒晶的多孔材料，成本低廉，エ藝簡單；②本發(fā)明的多孔Al2TiO5基體復(fù)合材料，孔洞壁面原位生成的Al2O3和TiAl晶須或者棒晶，徑向尺寸為50 lOOnm，長度為O. 2 2. O μ m，極大地提高了比表面積，用于催化劑載體時，有利于提高催化劑的分散和催化轉(zhuǎn)化效果；③多孔Al2TiO5基體的復(fù)合材料由Al2TiO5和少量A1203、TiO2組成，孔洞為三維連通的開孔結(jié)構(gòu)，孔徑2. 2
3.3mm,并且通過調(diào)整造孔劑含量，可獲得孔隙率為53. 3 75. 8 %，抗壓強度為4. 4 8. 5Mpa的多孔材料，性能調(diào)節(jié)范圍大，這種多孔材料可用作催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體。
具體實施例方式實施例I本發(fā)明的多孔復(fù)合材料制備方法如下第一歩備好エ業(yè)純的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔劑尿素顆粒以及Al錠，其中TiO2, Al2O3粉末粒度為200目，尿素粒徑2 3mm。第二步=Al2TiO5多孔材料燒結(jié)合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3 = I I (mol)稱量，按照體積比50%，量取尿素顆粒，均勻混合后裝入模具中，采用模壓成型方法，在200Mpa壓カ下壓制成圓柱形壓坯；再將壓坯放進(jìn)電阻爐中，加熱到300°C保溫I. 5小時，尿素顆粒完全揮發(fā)；將壓坯放入電阻爐中，在1400°C燒結(jié)3小時，燒結(jié)后取出樣品空冷，獲得大孔徑Al2TiO5多孔材料。第三步熱浸鍍鋁將エ業(yè)純Al錠放入Al2O3坩堝中，在氬氣保護下加熱到800°C，A1錠全部熔化。將大孔徑的多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持10分鐘，Al液體滲入多孔材料中。提取多孔材料后，在爐中隨爐溫下降至650°C，在孔壁上獲得ー層厚度30 μ m的鋁膜。第四步孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl晶須或者棒晶生長待爐溫降至650°C，停止通氬氣并打開爐門I分鐘，使空氣進(jìn)入爐中。然后650°C加熱氧化、保溫50分鐘，部分Al2TiO5分解生成TiO2和Al2O3, Al膜自身氧化同時又與TiO2反應(yīng)生成Al2O3, Ti與Al反應(yīng)生成耐高溫氧化性能優(yōu)異的TiAl相。在孔洞壁面原位生成的Al2O3和TiAl徑向尺寸約為IOOnm,長度為2. O μ m的棒晶，多孔材料的孔徑2. 2 3. 3mm,孔隙率為53. 3%，抗壓強度為8. 5Mpa。實施例2 與實施例I的不同之處是造孔劑尿素體積比為60%，多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持8分鐘，鋁膜厚度約25 μ m,加熱氧化保溫40分鐘，孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl棒晶徑向尺寸約為80nm，長約I. 5 μ m，多孔材料的孔徑為2. 2 3. 3mm，孔隙率為68. 7%，抗壓強度為6. 2Mpa。實施例3 與實施例I的不同之處是造孔劑尿素體積比為70%，壓坯在1500°C燒結(jié)3小時，多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持8分鐘，鋁膜厚度約25 μ m,加熱氧化保溫25分鐘，孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl晶須徑向尺寸約為70nm，長約O. 8 μ m，多孔材料的孔徑為2. 2 3. 3mm,孔隙率為71. 4%，抗壓強度為5. 3Mpa。實施例4 與實施例3的不同之處是造孔劑尿素體積比為80%，多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持5分鐘，鋁膜厚度約20 μ m,加熱氧化保溫25分鐘，孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl晶須徑向尺寸約為50nm，長約O. 2 μ m，多孔材料的孔徑為2. 2 3. 3mm,孔隙率為75. 8%，抗壓強度為4. 4Mpa。權(quán)利要求
1.ー種孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3為原料、以尿素為造孔劑燒結(jié)Ti2AlO5多孔材料，其特征在于隨后該多孔材料高溫下浸入純Al熔體中，最終形成的在孔洞壁面長有Al2O3和TiAl晶須或者棒晶的多孔材料。
2.如權(quán)利要求I所述的孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料，其特征在于所述的晶須或者棒晶的長度為O. 2 2. 0mm，多孔材料的孔徑2. 2 3. 3mm，孔隙率為53. 3 75. 8%，抗壓強度為4. 4 8. 5Mpa。
3.如權(quán)利要求I所述的孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 第一歩備好エ業(yè)純的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔劑尿素顆粒以及Al錠，其中Ti02、Al2O3粉末粒度為200目，尿素粒徑2 3mm ; 第二步=Al2TiO5多孔材料燒結(jié)合成 將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3 = I I (mol)稱量，按照體積比50 80%，量取尿素顆粒，均勻混合后裝入模具中，采用模壓成型方法，在200Mpa壓カ下壓制成圓柱形壓坯；再將壓坯放進(jìn)電阻爐中，加熱到300°C保溫I. 5小時，尿素顆粒完全揮發(fā)；將壓坯放入電阻爐中，在1400 1500°C燒結(jié)3小時，燒結(jié)后取出樣品空冷，獲得大孔徑Al2TiO5多孔材料； 第三步熱浸鍍鋁 將エ業(yè)純Al錠放入Al2O3坩堝中，在氬氣保護下加熱到800°C，Al錠全部熔化，將大孔徑的多孔Al2TiO5材料浸入純Al熔體中，保持5 10分鐘，Al液體滲入多孔材料中，提取多孔材料后，在爐中隨爐溫下降至650°C，在孔壁上獲得ー層厚度20 30 μ m的鋁膜； 第四步孔洞內(nèi)Al2O3和TiAl晶須或者棒晶生長 待爐溫降至650°C，停止通氬氣并打開爐門I分鐘，使空氣進(jìn)入爐中，然后650°C加熱、保溫25 50分鐘，部分Ti2AlO5分解生成TiO2和Al2O3,Al膜自身氧化同時又與TiO2反應(yīng)生成Al2O3, Ti與Al反應(yīng)生成耐高溫氧化性能優(yōu)異的TiAl相，在孔洞壁面原位生成Al2O3和TiAl的晶須或者棒晶。
全文摘要
一種孔內(nèi)帶有晶須或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3為原料、以尿素為造孔劑燒結(jié)Ti2AlO5多孔材料，隨后該多孔材料高溫下浸入純Al熔體中，最終形成的在孔洞壁面長有Al2O3和TiAl晶須或者棒晶的多孔材料。本發(fā)明的多孔材料，成本低廉，工藝簡單，有利于提高催化劑的分散和催化轉(zhuǎn)化效果，性能調(diào)節(jié)范圍大，這種多孔材料可用作催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體。
文檔編號C04B41/88GK102718541SQ20121003919
公開日2012年10月10日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者吳杰, 姜琳, 崔洪芝, 徐國剛, 曹麗麗 申請人:山東科技大學(xué)