耐高溫低熱導(dǎo)的Y₂SiO₅多孔材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及耐高溫隔熱材料領(lǐng)域，具體為一種耐高溫低熱導(dǎo)的Y2SiO5多孔材料的制備方法，通過綠色環(huán)保的原位發(fā)泡注凝工藝和反應(yīng)燒結(jié)過程制備高孔隙率耐高溫和低熱導(dǎo)率的Y2SiO5多孔材料。以氧化釔和氧化硅粉末作為原料，加入水和分散劑配制陶瓷漿料并不斷攪拌，然后加熱、加入發(fā)泡劑并快速攪拌進(jìn)行發(fā)泡，接著加入明膠和聚乙二醇，然后進(jìn)行注模和脫模。坯體干燥后，通過高溫反應(yīng)燒結(jié)制備出Y2SiO5多孔陶瓷材料。本發(fā)明可合成出高孔隙率、耐高溫和低熱導(dǎo)率、抗氧化性好且具有獨特的二級孔結(jié)構(gòu)的Y2SiO5多孔陶瓷，在高溫絕熱材料領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。相比較目前凝膠注模法常使用丙烯酰胺等有神經(jīng)毒性的單體而言，本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單、成本較低，工業(yè)生產(chǎn)前景廣闊。
【專利說明】
耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S i O5多孔材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及耐高溫隔熱材料領(lǐng)域，具體為一種耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔材料的制備方法，通過綠色環(huán)保的原位發(fā)泡注凝工藝和反應(yīng)燒結(jié)過程制備高孔隙率耐高溫和低熱導(dǎo)率的Y2S15多孔材料。
【背景技術(shù)】
[0002]Y2S15陶瓷具有許多優(yōu)良的性能，如:高熔點(1950°C )、良好的抗損傷容限、極低的氧滲透率、低的介電常數(shù)、良好的高溫穩(wěn)定性，以及極低的熱導(dǎo)率一 1.34ff/ (m.K) (600?9000C ) (Z.Q.Sun, et al.J.Eur.Ceram.Soc.(歐洲陶瓷學(xué)會會刊).2009 (29):551-557.)。憑借優(yōu)良的性能，乙3105陶瓷在高溫功能-結(jié)構(gòu)陶瓷、環(huán)/熱障涂層、抗氧化涂層以及高溫介電材料等方面有著誘人的應(yīng)用前景。低熱導(dǎo)率、優(yōu)良的高溫?zé)岱€(wěn)定性和優(yōu)異的抗氧化性使其可用作絕熱材料，特別是做成多孔材料后，密度和熱導(dǎo)率進(jìn)一步降低，使Y2S15多孔陶瓷將成為優(yōu)秀的高溫絕熱材料。
[0003]目前，國內(nèi)外關(guān)于Y2S15S孔陶瓷的研究剛起步，相關(guān)報道較少。已發(fā)表的研究工作均采用Y2S15熟粉為原料，并存在一些不足，如:1、WY2S15熟粉為原料制備的樣品存在較大的燒結(jié)收縮率，對于在1450?1500°C下燒結(jié)得到的孔隙率為60%的樣品收縮率為18.51 %?20.8 % ;2、樣品的壓縮強(qiáng)度較低，孔隙率為71 %樣品的強(qiáng)度僅為3.34MPa ;3、由于收縮率大，無法制備出高孔隙率的樣品，已制備出的樣品最高孔隙率僅70 %左右；4、使用叔丁醇(TBA)有毒性的溶劑(文獻(xiàn):Z.G.Hou, et al.Ceram.1nt.(國際陶瓷會刊).2013(39):969-976 ；R.B.Zhang, et al.Mater.Design.(材料與設(shè)計會刊)2013(46):746-750)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔材料的制備方法，該多孔材料具有高孔隙率(75?90%)、耐高溫(1400?1600°C)和低熱導(dǎo)率(0.1?0.5ff/ (m.Κ)的特點，該制備方法具有綠色環(huán)保的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15S孔材料的制備方法，Y2S15多孔材料為高溫相X2-Y2Si05#孔陶瓷，具體步驟如下:
[0007]I)配制陶瓷漿料:以質(zhì)量份數(shù)計，按去離子水30?55份，分散劑0.75?2份，摩爾比1:2的Y2O3和S1 2混合粉末90?110份的配比，依次加入并攪拌漿料0.5?2.5小時；
[0008]2)發(fā)泡-凝膠注模-脫模:將陶瓷漿料放置于水浴中加熱，再按質(zhì)量份數(shù)計，向漿料中加入發(fā)泡劑0.75?2份，劇烈攪拌進(jìn)行發(fā)泡5?20分鐘，然后加入凝膠劑明膠1.75?5份和聚乙二醇3?8份，之后注模，脫模后形成坯體；
[0009]3)干燥-燒結(jié):將坯體在室溫下放置36?48小時，接著在70?90°C下干燥12?24小時，最后在1450?1600°C下馬弗爐中進(jìn)行高溫反應(yīng)燒結(jié)2?3h，制備出高孔隙率耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔陶瓷絕熱材料。
[0010]所述的耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15S孔材料的制備方法，Y 2Si05多孔材料的孔隙率為75?90%，耐熱溫度為1400?1600°C，熱導(dǎo)率為0.1?0.5ff/ (m.K)。
[0011]所述的耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔材料的制備方法，分散劑為聚甲基丙烯酸銨、檸檬酸銨或六偏磷酸鈉，發(fā)泡劑為十二烷基硫酸銨、十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，水浴溫度為35?55°C，聚乙二醇的分子量為2000?20000。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0013]1.本發(fā)明通過原位發(fā)泡注凝的方法制備出Y2S15多孔材料，該方法可制備出高孔隙率和低熱導(dǎo)率的Y2S15S孔陶瓷，材料耐熱溫度可高達(dá)1600°c。
[0014]2.本發(fā)明使用的原料種類少且無毒無害，綠色環(huán)保。
[0015]3.本發(fā)明操作方便，工藝流程簡單、無需特殊設(shè)備，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0016]4.相比于文獻(xiàn)報道的以Y2S15熟粉為原料所制備的樣品，本發(fā)明所制備的Y2S15多孔材料具有更高的孔隙率、更高的強(qiáng)度和更好的熱穩(wěn)定性，并可實現(xiàn)凈尺寸成型。
[0017]5.本發(fā)明所制備出的具有優(yōu)良綜合性能的Y2S15S孔材料可滿足極高溫度特殊熱防護(hù)材料的需求。
[0018]總之，本發(fā)明以氧化釔和氧化硅混合粉末作為原料，加入水和分散劑(聚甲基丙烯酸銨、檸檬酸銨或六偏磷酸鈉)配制陶瓷漿料并不斷攪拌，然后加熱、加入發(fā)泡劑(十二烷基硫酸銨、十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉)并快速攪拌進(jìn)行發(fā)泡，接著加入明膠和聚乙二醇，然后進(jìn)行注模和脫模。坯體干燥時先在室溫下放置36?48小時，之后在70?90°C下干燥12?24小時，最后在1450?1600°C下燒結(jié)便制備出Y2Si05#孔陶瓷材料。本發(fā)明可合成出高孔隙率(75?90% )、耐高溫(1400?1600°C )和低熱導(dǎo)率(0.1?0.5W/(m.Κ)，抗氧化性好且具有獨特的二級孔結(jié)構(gòu)的Y2S15S孔陶瓷，在高溫絕熱材料領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。相比較目前凝膠注模法常使用丙烯酰胺等有神經(jīng)毒性的單體而言，本發(fā)明更加綠色環(huán)保。此外，本發(fā)明工藝流程簡單、成本較低，工業(yè)生產(chǎn)前景廣闊。
【附圖說明】
[0019]圖1 (a)_圖1 (b)為Y2S15多孔材料的掃描電鏡照片。其中，圖1 (a)為實施例1 ；圖1(b)為實施例2。
[0020]圖2為Y2S15多孔材料的X射線衍射譜圖。
【具體實施方式】
[0021]在【具體實施方式】中，獲得的Y2S15多孔材料為高溫相X2-Y 2Si05多孔陶瓷。Y 2Si05陶瓷隨著溫度的變化呈現(xiàn)兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，在1190°C以下觀察到的低溫相稱為Xl-Y2S15，在高溫下穩(wěn)定存在的相為X2-Y2Si05。高溫相乂2-￥23105屬于單斜晶系，空間群為I2/a。本發(fā)明采用氧化硅和氧化釔粉末為原料所制備樣品的性能較佳，熱穩(wěn)定好一孔隙率為80%的樣品在1550°C下的收縮率僅為5%，強(qiáng)度高一孔隙率為80%的樣品的強(qiáng)度為
6.5MPa，孔隙率高一 75?90%，并且使用水做溶劑和無毒的明膠做單體。本發(fā)明使用的原料種類少且無毒，工藝流程簡單，成本較低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。高孔隙率耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔陶瓷作為隔熱材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，在航天航空的高溫隔熱材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這種新型熱防護(hù)材料的廣泛使用對節(jié)約能源也具有重要意義。
[0022]下面通過附圖和實施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
[0023]實施例1
[0024]先稱取去離子水30g，不斷攪拌并加入聚甲基丙烯酸銨0.75g和Y2O3=S12摩爾比I:2的混合粉末90g，攪拌I小時后形成陶瓷漿料；
[0025]隨后將陶瓷漿料放置于35°C的水浴中，加入十二烷基硫酸銨0.75g，快速攪拌(攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm)進(jìn)行發(fā)泡20分鐘，接著加入明膠1.75g和聚乙二醇(分子量6000)3g，之后注模，脫模后形成坯體；
[0026]將坯體在室溫下干燥36小時，然后在烘箱中70°C干燥24小時，最后在空氣中1450°C下進(jìn)行高溫反應(yīng)燒結(jié)2h，合成出高孔隙率、耐高溫和低熱導(dǎo)率的Y2S15多孔材料。
[0027]本實施例中，Y2S15多孔材料的孔隙率為76%，熱導(dǎo)率為0.35W/(m.K)，強(qiáng)度為
12.5MPa，燒結(jié)收縮率為1.3%。Y2S15多孔材料的微觀形貌由圖1 (a)的SEM照片顯示，樣品的宏觀孔孔徑大小為35?220 μ m，微米孔大小為0.2?2 μ m。
[0028]實施例2
[0029]先稱取去離子水45g，不斷攪拌并加入六偏磷酸鈉1.5g和Y2O3 = S12摩爾比1:2的混合粉末100g，攪拌2小時后形成陶瓷漿料；
[0030]隨后將陶瓷漿料放置于45°C的水浴中，加入十二烷基硫酸鈉1.2g,快速攪拌(攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1600rpm)進(jìn)行發(fā)泡15分鐘，接著加入明膠3.6g和聚乙二醇(分子量2000) 5g，之后注模，脫模后形成坯體；
[0031]將坯體在室溫下干燥40小時，然后在烘箱中80°C干燥18小時，最后在空氣中1500°C下進(jìn)行高溫反應(yīng)燒結(jié)3h，合成出高孔隙率、耐高溫和低熱導(dǎo)率的Y2S15多孔材料。
[0032]本實施例中，Y2S15多孔材料的孔隙率為83%，熱導(dǎo)率為0.16W/(m.K)，強(qiáng)度為
4.2MPa，燒結(jié)收縮率為4.6%。Y2S15多孔材料的微觀形貌由圖1 (b)的SEM照片顯示，樣品的宏觀孔孔徑大小為45?240 μm，微米孔大小為0.15?1.5 μπι。
[0033]實施例3
[0034]先稱取去離子水55g，不斷攪拌并加入檸檬酸銨2g和Y2O3 = S1 2摩爾比1:2的混合粉末110g，攪拌2.5小時后形成陶瓷漿料；
[0035]隨后將陶瓷漿料放置于50°C的水浴中，加入十二烷基磺酸鈉2g，快速攪拌(攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1700rpm)進(jìn)行發(fā)泡5分鐘，接著加入明膠5g和聚乙二醇(分子量10000) 7g,之后注模，脫模后形成坯體；
[0036]將坯體在室溫下干燥48小時，然后在烘箱中90°C干燥12小時，最后在空氣中1550°C下進(jìn)行高溫反應(yīng)燒結(jié)2.5h，合成出高孔隙率、耐高溫和低熱導(dǎo)率的Y2S15多孔材料。
[0037]本實施例中，Y2S15多孔材料的孔隙率為89%，熱導(dǎo)率為0.1lW/(m.K)，壓縮強(qiáng)度為2.9MPa，燒結(jié)收縮率為5.6%。Y2S15多孔材料的相組成由附圖2中的XRD譜顯示，從圖2可以看出，樣品為純凈的Y2S15相。
[0038]實施例結(jié)果表明，本發(fā)明通過原位發(fā)泡注凝法可制備出比目前文獻(xiàn)中報道的以Y2S15熟粉為原料制備的Y 2Si05#孔陶瓷材料具有更高孔隙率、更高強(qiáng)度和更好的熱穩(wěn)定性，將孔隙率提高到90%，燒結(jié)收縮率降低到2?6%，性能得到明顯提高。通過調(diào)節(jié)原料的固含量和添加量可制備出孔隙率可控的多孔材料。另外，本發(fā)明采用綠色制備工藝，還具有環(huán)境友好的優(yōu)點，流程簡單，操作簡便，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【主權(quán)項】
1.一種耐高溫低熱導(dǎo)的Y 2Si05#孔材料的制備方法，其特征在于，Y 2Si05多孔材料為高溫相X2-Y2Si05#孔陶瓷，具體步驟如下: 1)配制陶瓷漿料:以質(zhì)量份數(shù)計，按去離子水30?55份、分散劑0.75?2份、摩爾比I:2的Y2O3和S1 2混合粉末90?110份的配比，依次加入并攪拌漿料0.5?2.5小時; 2)發(fā)泡-凝膠注模-脫模:將陶瓷漿料放置于水浴中加熱，再按質(zhì)量份數(shù)計，向漿料中加入發(fā)泡劑0.75?2份，劇烈攪拌進(jìn)行發(fā)泡5?20分鐘，然后加入凝膠劑明膠1.75?5份和聚乙二醇3?8份，之后注模，脫模后形成坯體； 3)干燥-燒結(jié):將坯體在室溫下放置36?48小時，接著在70?90°C下干燥12?24小時，最后在1450?1600°C下馬弗爐中進(jìn)行高溫反應(yīng)燒結(jié)2?3h，制備出高孔隙率耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔陶瓷絕熱材料。2.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔材料的制備方法，其特征在于，Y2S15多孔材料的孔隙率為75?90%，耐熱溫度為1400?1600°C，熱導(dǎo)率為0.1?0.5W/(m.K) ο3.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫低熱導(dǎo)的Y2S15多孔材料的制備方法，其特征在于，分散劑為聚甲基丙烯酸銨、檸檬酸銨或六偏磷酸鈉，發(fā)泡劑為十二烷基硫酸銨、十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，水浴溫度為35?55°C，聚乙二醇的分子量為2000?20000。
【文檔編號】C04B35/622GK105985131SQ201510074054
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發(fā)明人】王京陽, 吳貞, 孫魯超
【申請人】中國科學(xué)院金屬研究所