一種孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，多孔陶瓷已被廣泛應(yīng)用于航天、冶金、化工、生物、環(huán)保以及能源等領(lǐng)域，如高溫隔熱材料、催化劑載體、金屬過(guò)濾器、多孔電極以及熱交換器等。多孔陶瓷中氣孔分為開(kāi)口氣孔和閉口氣孔，開(kāi)口氣孔是指氣孔可與外界連通，且孔與孔之間也相互貫通；而閉口氣孔則存在于陶瓷內(nèi)部，不與外界連通，且孔與孔之間相互分離而獨(dú)立存在。一般而言，具有閉口氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，其高溫隔熱性能大大優(yōu)越于開(kāi)口氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，尤其在航空航天和高溫窯爐應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]然而，目前的研宄都多集中于開(kāi)口多孔陶瓷的制備，對(duì)于具有閉口氣孔結(jié)構(gòu)多孔陶瓷的研宄卻較少。閉孔多孔陶瓷可采用發(fā)泡工藝的方法制備，然而，與閉孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備不同，由于陶瓷材料往往具有非常高的熔點(diǎn)，因此，無(wú)法采用將材料熔化后并發(fā)泡的方法制備，這就使得閉孔多孔陶瓷的制備顯得尤其困難。申請(qǐng)?zhí)枮?01210484106.4的專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種閉孔結(jié)構(gòu)的剛玉-鎂鋁尖晶石質(zhì)耐火骨料及制備方法，利用氧化鋁陶瓷具有高溫超塑性的特點(diǎn)，通過(guò)在氧化鋁原料中添加一定的氧化鎂增塑劑和高溫發(fā)泡劑，高溫?zé)芍苽溟]孔結(jié)構(gòu)的剛玉-鎂鋁尖晶石質(zhì)耐火骨料，所發(fā)明的產(chǎn)品具有純度高、閉口氣孔含量多、隔熱和抗熱震性能優(yōu)異等特點(diǎn)。然而其所制備的多孔陶瓷中閉口氣孔孔徑尺寸、分布不均勻，氣孔與氣孔之間存在相互貫通，這在一定程度上直接影響了最終產(chǎn)品的高溫使用性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服目前閉孔Al2O3基陶瓷在制備過(guò)程中存在閉口氣孔孔徑尺寸、分布不均勻的劣勢(shì)和缺點(diǎn)，提供一種孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷的制備方法；通過(guò)將亞微米級(jí)Al2O3粉末、MgAl 204粉末與包覆Al 203涂層的SiC顆?；旌?，然后球磨再燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程中碳化硅發(fā)生反應(yīng)生成氣體，獲得具有閉口氣孔率高的、高溫隔熱性能和抗熱震性能好的閉孔陶瓷，且孔徑的尺寸和分布可控。
[0005]本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行:
1、準(zhǔn)備亞微米級(jí)Al2O3粉末和亞微米級(jí)MgAl204粉末，其中亞微米級(jí)Al 203粉末占全部物料總重量的80~99% ；
2、準(zhǔn)備表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒，表面包覆Al203涂層的SiC顆粒占亞微米級(jí)Al2O3粉末和亞微米級(jí)MgAl 204粉末總重量的0.1-5% ；
3、將亞微米級(jí)Al2O3粉末、亞微米級(jí)MgAl204粉末和表面包覆Al 203涂層的SiC顆粒球磨混合均勻，然后壓制成型，獲得坯體；
4、將坯體以階梯二段式升溫制度升溫至1600±10°C，燒結(jié)1~8小時(shí)，獲得孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷。
[0006]上述的亞微米級(jí)Al2O3粉末的粒徑< I μ m，亞微米級(jí)MgAl 204粉末的粒徑< I μ m。
[0007]上述的表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒的平均粒徑在0.05-10 μ m ；A1 203涂層的平均厚度在0.01~1μπι。
[0008]上述方法中，壓制成型的壓力為100~300MPa。
[0009]上述方法中，以階梯二段式升溫制度升溫至1600±10°C是指:先以20°C/min的速率快速升溫至1300±10°C保溫0.5~1小時(shí)，隨后以5°C /min的速率升溫至1600±10°C。
[0010]上述的表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒是采用溶膠凝膠法制備。
[0011]上述方法獲得的孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷的閉口氣孔率為5~30%，體積密度為 2.53—3.58g/cm3。
[0012]上述方法獲得的孔徑可控的閉孔氧化鋁基陶瓷的閉口氣孔的平均孔徑尺寸為I?50 μ m0
[0013]本發(fā)明利用細(xì)晶Al2O3基陶瓷具有高溫結(jié)構(gòu)超塑性的特點(diǎn)，通過(guò)在陶瓷坯體中預(yù)先添加一定量的表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒為高溫發(fā)泡劑，使其在高溫下反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成閉口氣孔，從而制備出閉孔Al2O3基多孔陶瓷。其中表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒采用溶膠凝膠法制備，通過(guò)多次反復(fù)涂覆，保證其涂層厚度在0.0l-1ym0
[0014]本發(fā)明以表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒為發(fā)泡劑的目的在于實(shí)現(xiàn)閉口氣孔孔徑的可控化，由于預(yù)先對(duì)SiC顆粒進(jìn)行了表面包覆Al2O3涂層，在燒結(jié)過(guò)程中，當(dāng)兩個(gè)甚至于多個(gè)SiC顆粒即使在坯體中發(fā)生了聚集，則其表面Al2O3涂層將以氣孔內(nèi)壁的形式存在，從而起到阻止氣孔間相互貫通的作用，實(shí)現(xiàn)閉口氣孔孔徑尺寸的均勻化，涂層后SiC顆粒在陶瓷中形成閉口氣孔的演變過(guò)程如圖1所示；如果采用未涂層的SiC顆粒為發(fā)泡劑，一旦SiC顆粒發(fā)生聚集，將形成較大的氣孔或者貫通氣孔，導(dǎo)致閉孔孔徑不均勻。
[0015]此外，為使Al2O3基陶瓷具有更優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)超塑性，本發(fā)明以MgAl2O4粉末為高溫增塑劑，起到抑制Al2O3晶粒生長(zhǎng)的目的；同時(shí)，坯體在室溫升至1600°C的過(guò)程中，由于此時(shí)陶瓷并未燒結(jié)致密化，不能將SiC顆粒封閉于陶瓷材料中，導(dǎo)致分散于坯體各部位的SiC將與外界氧氣反應(yīng)而被不同程度的氧化，即SiC在1600°C下高溫反應(yīng)產(chǎn)生氣體形成的氣孔孔徑將不均勻；因此，為避免SiC在升溫的過(guò)程中預(yù)先被氧化，本發(fā)明采用階梯二段升溫制度；首先快速升溫至1300±10°C保溫，由于采用的Al2O3原料粉末為亞微米級(jí)，可實(shí)現(xiàn)快速低溫?zé)Y(jié)而接近致密化，并且SiC表面包覆了 Al2O3涂層，在此升溫和保溫過(guò)程中可保證SiC顆粒不被氧化；隨后以慢速升溫至1600±10°C保溫，使SiC在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成氣體，從而制備出孔徑可控的閉孔Al2O3基陶瓷；在控制了閉孔孔徑均勻的基礎(chǔ)上，至于控制閉孔孔徑大小，則可通過(guò)調(diào)整SiC顆粒的粒度和Al2O3基陶瓷的超塑性來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0016]通過(guò)本發(fā)明，可有效克服目前制備閉孔陶瓷中閉口氣孔孔徑不可控的不足，提高閉孔多孔陶瓷的高溫隔熱性能和抗熱震性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的方法中，涂層后SiC顆粒在陶瓷中形成閉口氣孔的演變過(guò)程示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)品的斷口拋光面的掃描電鏡照片圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中采用的掃描電鏡為德國(guó)卡爾蔡司EVO-18型鎢燈絲系列掃描電鏡。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中采用的亞微米級(jí)Al2O3粉末和亞微米級(jí)MgAl 204粉末為市購(gòu)產(chǎn)品；亞微米級(jí)Al2O3粉末的粒徑< I μ m，亞微米級(jí)MgAl 204粉末的粒徑< I μπι。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例中采用的表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒是采用溶膠凝膠法制備，其中涂層原料和SiC顆粒為市購(gòu)。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例中壓制成型采用的設(shè)備為液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)試體積密度采用阿基米德法，閉口氣孔率通過(guò)計(jì)算獲得。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)試閉孔孔徑尺寸采用掃描電鏡下統(tǒng)計(jì)32個(gè)視場(chǎng)下氣孔的平均孔徑尺寸。
[0024]實(shí)施例1
準(zhǔn)備亞微米級(jí)Al2O3粉末和亞微米級(jí)MgAl 204粉末，其中亞微米級(jí)Al 203粉末占全部物料總重量的99% ；
準(zhǔn)備表面包覆Al2O3涂層的SiC顆粒，表面包覆Al 203涂層的SiC顆粒占亞微米級(jí)Al 203粉末和亞微米級(jí)MgAl2O4粉末總重量的0.1% ;其中表面包覆Al 203涂層的SiC顆粒的平均粒徑在0.05 μm，Al2O3涂層的平均厚度在0.01 μπι ;
將亞微米級(jí)Al2O3粉末、亞微米級(jí)MgAl 204粉末和表面包覆