一種焊接晶須制備莫來石多孔陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶須焊接工藝制備莫來石多孔陶瓷的方法，即用稀土氧化物或納米二氧化硅焊接莫來石晶須來制備莫來石多孔陶瓷的方法，屬于多孔陶瓷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)、高的抗蠕變和熱震穩(wěn)定性、優(yōu)良的電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度等，莫來石多孔陶瓷在消音降噪、陶瓷燃燒器、熔融金屬過濾和氣固分離等材料領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。江東亮等人(中國(guó)專利，專利公開號(hào)CN101037345)以白炭黑和氧化鋁為主要原料，采用凝膠冷凍干燥法制備莫來石多孔陶瓷。袁磊等人(中國(guó)專利，專利公開號(hào)CN103833400)以含氧化鋁和二氧化硅的礦物或固體廢棄物，工業(yè)氧化鋁為原料，外加淀粉和銨鹽作為造孔劑在1400?160(TC燒結(jié)，制備得到自生纖維增強(qiáng)的莫來石多孔陶瓷。王慧等人(中國(guó)專利，專利公開號(hào)CN101012767)以磷酸、氫氧化鋁和莫來石纖維為原料采用濕法成型，于1000?1300°C燒結(jié)得到高孔隙率的莫來石纖維多孔陶瓷；
聚乙烯醇PVA是一種水溶性聚合物，被廣泛用作陶瓷粘結(jié)劑；PVA與人體有很好的生物相容性，與人體的軟骨組織有極為相似的性質(zhì)，將PVA水溶液反復(fù)冷凍后可得到PVA水凝膠，在生物材料領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。莫來石晶須增韌陶瓷效果顯著，但是晶須在固相中很難分散且容易磨碎，在水中由于晶須密度大容易沉積，晶須的分散一直是個(gè)難題。本發(fā)明利用PVA水溶液來分散莫來石晶須，利用PVA水溶液較高的粘度和比水大的密度來減緩晶須沉降速度，再結(jié)合快速冷凍技術(shù)來解決晶須的分散問題。本發(fā)明中PVA除了作為分散介質(zhì)，還起低溫粘結(jié)劑和造孔劑的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是利用晶須焊接的方法制備高孔隙率和孔徑分布可控的莫來石多孔陶瓷，以滿足消音降噪、陶瓷燃燒器、熔融金屬過濾以及氣固分離等材料領(lǐng)域的應(yīng)用；
本發(fā)明制備莫來石多孔陶瓷的方法，包括陶瓷漿料的制備、漿料冷凍成型、冷凍干燥和坯體的燒結(jié)。本發(fā)明的核心是設(shè)計(jì)了由晶須焊接而成的三維空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，并成功實(shí)現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是用PVA水溶液作為晶須的分散介質(zhì)，用稀土氧化物或納米二氧化硅來焊接晶須，另外PVA還起低溫粘結(jié)劑和造孔劑的三重作用；
具體工藝:①將5?50wt%的莫來石晶須加入到I?10wt%的聚乙烯醇水溶液中，并加入I?10wt%的氧化鑭或納米二氧化硅作為高溫粘結(jié)劑，然后在磁力攪拌器下均勻攪拌5?60min，再超聲分散3?30min ;②把經(jīng)過超聲分散的漿料倒入模具中在-18?_190°C下冷凍成型，然后在-40?-60°C和I?1pa環(huán)境下冷凍干燥，得到聚乙烯醇和莫來石晶須復(fù)合坯體凍干后的復(fù)合坯體在空氣氣氛下以I?10°C /min的速率升溫至600°C?800°C，保溫O?5小時(shí)，除去其中的聚乙烯醇有機(jī)物；④除去有機(jī)物后的樣品以3?7°C /min繼續(xù)升溫至1200?1500°C保溫1?5小時(shí)燒結(jié)，然后隨爐冷卻，得到晶須在三維空間均勻焊接的莫來石多孔陶瓷；
如圖2所示，本發(fā)明制備得到的多孔陶瓷主晶相為莫來石相；
使用本發(fā)明制備的莫來石和PVA復(fù)合坯體具有較高的強(qiáng)度和很好的韌性，可以任意成型；
使用本發(fā)明制備的莫來石多孔陶瓷的典型微觀結(jié)構(gòu)如附圖2、附圖3所示，多孔陶瓷孔隙率較高，且都為互相連通的開孔結(jié)構(gòu)。其中圖2是以氧化鑭為高溫粘結(jié)劑來焊接晶須；圖3是以納米二氧化娃(30nm)為高溫粘結(jié)劑來焊接晶須；
綜上所述，利用本發(fā)明制備莫來石多孔陶瓷的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
〔1〕利用PVA水溶液較大的粘度和密度，成功分散莫來石晶須；
〔2〕得到的生坯具有很好的強(qiáng)度和韌性，可以承受工業(yè)生產(chǎn)中的搬運(yùn)、碰撞和摔打；〔3〕將漿料倒入模具中冷凍成型，可以改變模具的形狀任意成型；
〔4〕冷凍溫度在零攝氏度以下即可，可以利用自然天氣條件冷凍，低碳環(huán)保；
〔5〕莫來石晶須在三維空間均勻焊接，得到的多孔陶瓷強(qiáng)度較高；
〔6〕通過向漿料中引入氣泡，可以得到多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，有很好的應(yīng)用前景；
〔7〕得到的多孔陶瓷孔徑尺寸在數(shù)十微米級(jí)別，有利于聲波的吸收(聲波吸收的最佳孔徑分布在20?150微米)，其他制備多孔陶瓷的方法，如加造孔劑模壓的方法制備的孔徑較小(幾個(gè)微米或更小)，泡沫浸漬法制備的孔徑則較大(幾百微米)。
【附圖說明】
[0004]圖1為1450°C保溫2h的莫來石晶須XRD圖譜。橫坐標(biāo)為二倍衍射角，單位為度，縱坐標(biāo)為衍射強(qiáng)度的相對(duì)值；
圖2為以氧化鑭為高溫粘結(jié)劑，并于1450°C保溫兩小時(shí)燒結(jié)得到的莫來石多孔陶瓷的掃描電鏡(SEM)形貌；
圖3為以納米二氧化硅(30nm)為高溫粘結(jié)劑，并于1450°C保溫兩小時(shí)燒結(jié)得到的莫來石多孔陶瓷的掃描電鏡(SEM)形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0005]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的突出特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明并不局限于實(shí)施例；
實(shí)施例1:
向20ml，5wt%的PVA水溶液中加入23.6g莫來石晶須和0.29g氧化鑭，將得到的混合物于常溫下的磁力攪拌器下均勾攪拌lOmin，再常溫超聲分散3min后，煮沸濃縮至10ml得到陶瓷漿料。將陶瓷漿料分批倒入圓柱體模具中(模具的底是純銅的，壁是聚四氟乙烯材質(zhì))，再于-18°C低溫環(huán)境冷凍lOmin后脫模。脫模后的樣品繼續(xù)冷凍2h，再移入冷凍干燥機(jī)中于1.0pa, _50°C環(huán)境下冷凍干燥24h脫去水分。脫去水分后的陶瓷生坯移至管式爐中，于空氣氣氛下以10°C /min升溫至800°C，保溫lh，再以7°C /min升溫至1450°C保溫2h燒結(jié)。得到的莫來石多孔陶瓷如附圖2;
實(shí)施例2: 向20ml、5wt%的PVA水溶液中加入6g莫來石晶須和0.16g納米二氧化硅，將得到的混合物于常溫下的磁力攪拌器下均勻攪拌5min，再常溫超聲分散3min后，靜置24h得到陶瓷漿料。將陶瓷漿料分批倒入圓柱體模具中(模具的底是純銅的，壁是聚四氟乙烯材質(zhì))，再于-18°C低溫環(huán)境冷凍1min后脫模。脫模后的樣品繼續(xù)冷凍2h，再移入冷凍干燥機(jī)中于1.0pa, _50°C環(huán)境下冷凍干燥24h脫去水分。脫去水分后的陶瓷生坯移至管式爐中，于空氣氣氛下以10°C /min升溫至800°C，保溫lh，再以7°C /min升溫至1450°C保溫2h后燒結(jié)。得到的莫來石多孔陶瓷如附圖3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.晶須焊接法制備莫來石多孔陶瓷的方法，其特征包括下述步驟: (1)將5?50wt%的莫來石晶須加入到I?10wt%的聚乙烯醇水溶液中，并加入I?10wt%的氧化鑭或納米二氧化娃作為高溫粘結(jié)劑，然后于磁力攪拌器上均勾攪拌5?60min,再超聲分散3?30min ； (2)把經(jīng)過超聲分散的漿料倒入模具中在-18?-190°C下冷凍成型，然后在-40?-60°C和I?1pa環(huán)境下冷凍干燥，得到聚乙烯醇和莫來石晶須的復(fù)合坯體； (3)凍干后的復(fù)合坯體在空氣氣氛下以I?10°C/min升溫至600°C?800°C，保溫O?5小時(shí)，除去其中的聚乙烯醇有機(jī)物； (4)除去有機(jī)物后的樣品以3?7°C/min繼續(xù)升溫至1200?1500°C保溫I?5小時(shí)后燒結(jié)，然后隨爐冷卻，得到晶須在三維空間均勻焊接的莫來石多孔陶瓷。2.按權(quán)利要求1所述制備得到的莫來石多孔陶瓷，其特征在于莫來石多孔陶瓷具有由莫來石晶須焊接成的三維空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，高的孔隙率，孔徑尺寸為I?100微米、顯氣孔率為50%?90%。3.按權(quán)利要求2所述的莫來石多孔陶瓷，其特征在于主晶相為莫來石相。4.按權(quán)利要求2或3所述的莫來石多孔陶瓷，其特征在于莫來石多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度為 2 ?30MPa。5.按權(quán)利要求2或3或4所述的莫來石多孔陶瓷用于消音降噪、陶瓷燃燒器、熔融金屬過濾以及氣固分離等材料領(lǐng)域。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種莫來石多孔陶瓷的制備方法，屬于多孔陶瓷領(lǐng)域。本發(fā)明是將高溫粘結(jié)劑及莫來石晶須加入到聚乙烯醇水溶液中，混合均勻后于模具中冷凍成型，然后冷凍干燥脫去水分，得到柔韌的坯體，坯體置于空氣氣氛中于1200～1500℃燒結(jié)，得到由晶須焊接成的三維空間網(wǎng)絡(luò)狀多孔陶瓷。多孔陶瓷的孔隙率為50%～90%，孔徑2～100微米，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度2～30MPa。本發(fā)明應(yīng)用于消音降噪、陶瓷燃燒器、熔融金屬過濾以及氣固分離等材料領(lǐng)域。
【IPC分類】C04B35/622, C04B35/185
【公開號(hào)】CN105110779
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510000148
【發(fā)明人】陳擁軍, 董雷, 曹利華
【申請(qǐng)人】海南大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年1月2日