真空浸漬結(jié)合冷凍干燥原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種在莫來(lái)石纖維塊體上原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]莫來(lái)石材料具有較好的耐高溫性能，抗高溫蠕變性能，抗熱震性能，以及良好的機(jī)械性能，同時(shí)還具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，較低的真密度以及較好的介電性能。晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比的針狀單晶體，在自然界比較少見，由于其直徑非常細(xì)小，難以容納常規(guī)晶體材料中的缺陷，在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，內(nèi)部原子排列高度有序，其強(qiáng)度與完美晶體的理論強(qiáng)度相接近。莫來(lái)石晶須具有莫來(lái)石材料和晶須的雙重優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的耐高溫、耐高熱、耐腐燭、電絕緣等性能，同時(shí)具有較高的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度，可廣泛用作金屬基、陶瓷基、聚合物基的改性增強(qiáng)增韌材料。但目前有關(guān)莫來(lái)石晶須的制備還存在著很多難點(diǎn)，尤其在現(xiàn)有莫來(lái)石塊體纖維上原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須方面，如何簡(jiǎn)化制備流程、降低工藝成本是亟待解決的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。
[0003]冷凍干燥法是指在高真空狀態(tài)下，將物料中的水分由固態(tài)的冰直接升華為氣態(tài)的水蒸氣，以達(dá)到干燥物料的目的。具體的工藝流程包括冷凍和干燥兩部分，即先將含水物料在低于0°C的溫度下冷凍以使其中的液態(tài)水完全凝固成冰，再將物料于冷凍干燥器上進(jìn)行干燥。其最為顯著的優(yōu)點(diǎn)是:冷凍干燥過(guò)程可以使浸入物料中的粒子被原位固定下來(lái)，使浸入塊體的粒子均勻分布。該方法的缺點(diǎn)是干燥速率較普通干燥法較慢，費(fèi)用較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)制備莫來(lái)石晶須工藝較為復(fù)雜，而且很難在現(xiàn)有莫來(lái)石塊體上生長(zhǎng)出密集分布的針狀莫來(lái)石晶須(起到增強(qiáng)增韌莫來(lái)石塊體材料的作用)的不足，提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的且能顯著提高莫來(lái)石塊體材料機(jī)械性能的方法。
[0005]本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006]—種真空浸漬結(jié)合冷凍干燥原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須的方法，具有如下步驟:
[0007](1)稱量硅溶膠，向其中添加去離子水予以稀釋，攪拌均勻得到硅溶膠稀釋液，其中硅溶膠稀釋液的濃度為0.167mol/L?0.667mol/L ;將莫來(lái)石塊體浸入硅溶膠稀釋液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的塊體在0°C以下冷凍至浸漬液冷凍成固體，隨后將冷凍后的固體置于冷凍干燥器中進(jìn)行冷凍干燥；
[0008](2)稱量硝酸鋁，以去離子水為溶劑配制硝酸鋁溶液，其濃度為0.501mol/L?
2.001mol/L ;該硝酸鋁溶液的濃度為步驟⑴中硅溶膠稀釋液濃度的3倍；再將步驟⑴中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入硝酸鋁溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后將冷凍后的固體置于冷凍干燥器中進(jìn)行冷凍干燥；
[0009](3)稱量氟化銨，以去離子水為溶劑，配制氟化銨溶液，其濃度為2.004mol/L?8.004mol/L ;該氟化銨溶液的濃度為步驟(1)中硅溶膠稀釋液濃度的12倍；再將步驟(2)中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入氟化銨溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后將冷凍后的固體置于冷凍干燥器中進(jìn)行冷凍干燥；
[0010](4)將步驟(3)中干燥好的莫來(lái)石塊體在1200°C條件下進(jìn)行熱處理lh?3h，即可在莫來(lái)石塊體的纖維上原位生長(zhǎng)出密集的針狀莫來(lái)石晶須。
[0011]所述步驟⑴的硅溶膠稀釋液的濃度為0.333mol/L mol/L0
[0012]所述步驟(2)的硝酸鋁溶液的濃度為1.0mol/L mol/L。
[0013]所述步驟(3)的氟化錢溶液的濃度為4.0mol/L mol/L。
[0014]本發(fā)明的有益效果是，相對(duì)于目前常用的制備莫來(lái)石晶須的方法，本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單、能耗較低，更重要的是解決了在現(xiàn)有莫來(lái)石纖維塊體上原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須的問(wèn)題，起到了改善莫來(lái)石塊體機(jī)械性能的作用。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是實(shí)施例1中3次真空浸漬和冷凍干燥后得到的莫來(lái)石塊體的SEM圖像；
[0016]圖2是實(shí)施例1中冷凍干燥好的莫來(lái)石塊體熱處理后得到的莫來(lái)石纖維以及晶須的200倍SEM圖像；
[0017]圖3是實(shí)施例1中冷凍干燥好的莫來(lái)石塊體熱處理后得到的莫來(lái)石纖維以及晶須的500倍SEM圖像；
[0018]圖4是實(shí)施例1中冷凍干燥好的莫來(lái)石塊體熱處理后得到的莫來(lái)石纖維以及晶須的2000倍SEM圖像；
[0019]圖5是該莫來(lái)石塊體經(jīng)過(guò)真空浸漬結(jié)合冷凍干燥原位生長(zhǎng)莫來(lái)石晶須后，抗壓強(qiáng)度的測(cè)試曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明所用硅溶膠、氟化銨和硝酸鋁均為天津光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)，為分析純?cè)噭１景l(fā)明所用莫來(lái)石塊體纖維耐火磚塊為浙江宏達(dá)晶體纖維有限公司生產(chǎn)。
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1
[0023](1)稱量硅溶膠，向其中添加去離子水予以稀釋，配置成濃度為0.33mol/L硅溶膠稀釋液，將莫來(lái)石塊體浸入硅溶膠稀釋液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的塊體在0°c以下冷凍至浸漬液冷凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0024](2)稱量硝酸鋁，向其中加入去離子水配置成濃度為1.0mol/L的硝酸鋁溶液，將步驟(1)中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入硝酸鋁溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0025](3)稱量氟化銨，向其中加入去離子水配置成濃度為4.0mol/L的氟化銨溶液，將步驟(2)中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入氟化銨溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0026](4)將步驟(3)中干燥好的莫來(lái)石塊體在1200°C條件下進(jìn)行熱處理2h，即可在莫來(lái)石塊體纖維上原位生長(zhǎng)出密集的針狀莫來(lái)石晶須。
[0027]實(shí)施例1中經(jīng)過(guò)3次真空浸漬和冷凍干燥得到的莫來(lái)石塊體的SEM圖像如圖1所示。從圖1中不難看出，經(jīng)過(guò)3次真空浸漬和冷凍干燥，二氧化硅以及硝酸鋁和氟化銨生成的氟化鋁沉淀混合顆粒較均勻的分布在莫來(lái)石纖維塊體中(如圖1中箭頭所指)。經(jīng)過(guò)1200°C熱處理，浸入莫來(lái)石塊體中的二氧化硅和氟化鋁發(fā)生一系列氣相反應(yīng)，在富氟氣氛的條件下，以莫來(lái)石纖維為生長(zhǎng)基板，通過(guò)外延生長(zhǎng)，最終生成分布均勻且密集的針狀莫來(lái)石晶須(圖2、圖3、圖4)。由此可見，利用真空浸漬技術(shù)結(jié)合冷凍干燥法向莫來(lái)石塊體纖維塊體中引入氟化鋁，可以原位生長(zhǎng)出分布均勻且密集的針狀莫來(lái)石晶須。對(duì)生長(zhǎng)晶須后的莫來(lái)石是塊體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試可看出，莫來(lái)石塊體的抗壓強(qiáng)度得到顯著提高(圖5)。
[0028]實(shí)施例2
[0029](1)稱量硅溶膠，向其中添加去離子水予以稀釋，配置成濃度為0.167mol/L硅溶膠稀釋液，將莫來(lái)石塊體浸入硅溶膠稀釋液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液冷凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0030](2)稱量硝酸鋁，向其中加入去離子水配置成濃度為0.5mol/L的硝酸鋁溶液，將步驟(1)中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入硝酸鋁溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0031](3)稱量氟化銨，向其中加入去離子水配置成濃度為2.0mol/L的氟化銨溶液，將步驟(2)中干燥好的莫來(lái)石塊體浸入氟化銨溶液，在真空條件下浸漬0.5h，然后將浸漬好的莫來(lái)石塊體在0°C以下冷凍至浸漬液凍成固體，隨后在冷凍干燥器上進(jìn)行冷凍干燥；
[0032](4)將步驟(3)中干燥好的莫來(lái)石塊體在1200°C條件下進(jìn)行熱處理2h。
[0033]經(jīng)過(guò)3次真空浸漬和冷凍干燥后得到的莫來(lái)石塊體中浸入的二氧化硅和氟化鋁沉淀混合顆粒量少于實(shí)施例1 ;經(jīng)過(guò)熱處理后，莫來(lái)石晶須的長(zhǎng)度較小，晶須長(zhǎng)徑比小于實(shí)施例1中晶須的長(zhǎng)徑比。這是