一種納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到蜂窩陶瓷材料的生產(chǎn)領(lǐng)域，具體的說是一種納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫陶瓷屬于多孔陶瓷的一種，是具有三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高氣孔率的多孔陶瓷體。泡沫陶瓷氣孔率高達(dá)80?90%、比表面積大、抗熱震、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性能好，此外還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和過濾吸附性能，可廣泛用作催化劑載體、過濾材料、熱交換材料、汽車尾氣凈化及反應(yīng)塔、吸收塔的化工填料等。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)70年代就已開始了泡沫陶瓷的研制工作，并相繼應(yīng)用于汽車尾氣凈化、冶金工業(yè)熔融態(tài)金屬過濾及催化劑載體等領(lǐng)域，并取得了非常好的效果。我國開始此項研究工作稍晚，起步于上世紀(jì)80年代中期，所研制的泡沫陶瓷也已應(yīng)用于有色金屬過濾、汽車尾氣凈化等領(lǐng)域。
[0003]泡沫陶瓷在上世紀(jì)70年代研發(fā)初期，僅僅用于細(xì)菌過濾材料領(lǐng)域。隨著制備技術(shù)的發(fā)展，各種新材質(zhì)的應(yīng)用及多孔結(jié)構(gòu)水平控制的顯著提高，泡沫陶瓷極大地拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在應(yīng)用于泡沫陶瓷的材料有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、莫來石、堇青石等。具體應(yīng)用大致有以下幾類。
[0004]1、過濾器
泡沫陶瓷過濾器由于具有過濾面積大，熱震穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的優(yōu)點和良好的抗金屬沖刷性能以及過濾效率好的特點，因此在金屬熔體過濾凈化技術(shù)中，可以作為一種新型高效過濾器使用；
2、催化劑載體
泡沫陶瓷因為具有巨大的比表面積而具有良好的吸附能力和活性。如果被覆高效催化劑后，反應(yīng)物流過泡沫陶瓷孔道時，將大大提高催化效率和反應(yīng)速率。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩(wěn)定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特點，特別作為汽車尾氣催化凈化器載體已被廣泛使用。泡沫陶瓷汽車尾氣催化器可以使汽油車排出的烴類、CO、NO有害氣體轉(zhuǎn)化成C02、H20、N2，轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上;而用在柴油車上，碳粒凈化率在50%以上。積滿碳粒的泡沫陶瓷濾芯可以采用催化氧化法或電控燃燒法進(jìn)行再生，達(dá)到長期使用的效果；
3、隔熱換熱材料
存在閉氣孔的泡沫陶瓷中，由于減少了熱傳播過程中的對流，降低了其放熱效率，使泡沫陶瓷具有熱傳導(dǎo)率低，加上其固有的抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的耐熱材料。目前，泡沫陶瓷材料是世界上最好的隔熱材料，多用于傳統(tǒng)的窯爐和高溫電爐的內(nèi)襯。它還被用于航天飛機(jī)的外殼隔熱。泡沫陶瓷具有巨大的比表面積，在高溫條件下，由于熱交換面積大，可用作換熱材料。如放在加熱爐煙道口，爐內(nèi)高溫氣體通過泡沫陶瓷進(jìn)入煙道時進(jìn)行熱交換，把泡沫陶瓷體加熱到接近爐內(nèi)溫度。然后，泡沫陶瓷向爐內(nèi)輻射熱能，減少熱能散失。此種技術(shù)，可節(jié)能30%以上；
除此之外，泡沫陶瓷還可用于吸聲材料、生物材料、燃燒器，并在擴(kuò)散、滲透和吸附方面得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料及其制備方法，本方法制得的泡沫陶瓷材料可以在較低的溫度下燒結(jié)，而且還具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗熱震性能和耐磨性能。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料，該泡沫陶瓷材料由納米晶氧化鋁、高嶺土、納米晶氧化鎂和羥丙基甲基纖維素?zé)Y(jié)而成，且各成分的重量百分含量為:納米晶氧化鋁90?95%、高嶺土 2?5%、納米晶氧化鎂0.5?5%和羥丙基甲基纖維素I?3%;其中，納米晶氧化鋁由納米晶勃姆石在1100?1300°C溫度下煅燒I?3h后得到；納米晶氧化鎂由納米晶氫氧化鎂在350?500 °C溫度下煅燒20?30min后得到。
[0007]所述納米晶勃姆石煅燒得到納米晶氧化鋁的具體工藝為:納米晶勃姆石先在500?600°C預(yù)燒20min?lh，預(yù)燒后以200?400°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，得到納米氧化鋁粉體，然后再將得到的納米氧化鋁粉體在1100?1300°C溫度下煅燒I?3h，煅燒結(jié)束后以300?500°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，即得到納米晶氧化鋁。
[0008]所述納米晶氫氧化鎂在350?500°C溫度下煅燒20?30min后，再以200?400°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，即得到納米晶氧化鎂。
[0009]上述納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:
1)按照上述的比例稱取各組成原料并混合，然后向其中加入其總重40?60%的水后粉磨2?3h，得到陶瓷漿料，備用；
2)將步驟I)得到的陶瓷漿料浸漬在聚氨酯泡沫上，并在100?130°C的條件下烘干成粉狀，并加工成具有所需要形狀和尺寸的陶瓷坯體；
3)將步驟2)得到的陶瓷坯體在1300?1500°C溫度下煅燒2?10h，自然冷卻后即得到產(chǎn)品O
[0010]所述步驟3)中陶瓷坯體在1300?1500°C溫度下煅燒時，溫度由常溫升至1300?1500°C的升溫速率為I?5°C/min。
[0011]所述納米晶氫氧化鎂的合成方法可以有以下兩種:
方法一:按照專利號為200910065165.6、專利名稱為一種高純氫氧化鎂納米晶的制備方法的記載制備出的納米晶氫氧化鎂；
方法二:水熱法合成
將水溶性Mg2 +溶液在攪拌條件下加入到氫氧化鈉溶液中，然后在壓力為0.05?
0.5MPa、溫度為110?151V的條件下水熱反應(yīng)4?1h，自然冷卻后進(jìn)行陳化，并抽濾得到沉淀，將沉淀清洗、烘干后得到納米級氫氧化鎂晶體；
將得到的納米級氫氧化鎂晶體浸泡在去離子水中6_12h，并超聲波震蕩O?30min，然后抽濾并在130°C條件下烘干即得到納米晶氫氧化鎂。
[0012]本發(fā)明中所用的納米晶勃姆石是依照專利號為201210395756.1、專利名稱為一種勃姆石納米晶或納米晶須的制備方法的記載制備出的納米級勃姆石;本發(fā)明所述的納米晶氫氧化鎂可以按照專利號為200910065165.6、專利名稱為一種高純氫氧化鎂納米晶的制備方法的記載制備出的納米晶氫氧化鎂，或者是采用水熱法合成，水熱法合成時所述的水溶性Mg2+溶液是指溶于水中能夠離解出Mg2+離子的鹽類水溶液，如氯化鎂溶液、硝酸鎂溶液等。
[0013]由于納米材料本身的顆粒細(xì)小，比表面積巨大，因此，極容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，常規(guī)意義上說的納米材料是在透射電鏡(國家標(biāo)準(zhǔn)以透射電鏡為準(zhǔn))下顯示的單個顆粒為幾個至IJlOO納米粒徑，但是在馬爾文激光粒度儀上顯示時基本為幾十微米的粒徑，究其原因，是因為納米材料本身的團(tuán)聚效應(yīng)，團(tuán)聚后的納米材料在外觀上顯示已經(jīng)達(dá)到幾十微米的粒徑，這樣使得即使加入納米級的顆粒材料，實際上仍然為微米級，除非經(jīng)過一系列的處理使團(tuán)聚的納米顆粒分散；
本發(fā)明中，通過對納米晶勃姆石進(jìn)行燒結(jié)之后并急速冷卻，這樣制得的納米材料并不會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，也就是說，燒結(jié)后形成的氧化鋁顆粒是處于單個納米顆粒分散狀態(tài)，并不會表現(xiàn)出團(tuán)聚現(xiàn)象，這樣就使得其在加入其余物料時仍表現(xiàn)出納米級顆粒的性質(zhì)，由于顆粒呈現(xiàn)出納米級別，因此，在加入后可以認(rèn)為是仍處于單相體系，不僅彌散性好、分布均勻，而且結(jié)合也更加緊密。
[0014]本發(fā)明中，MgO-Al2O3-CaO-S12體系的低共熔溫度為1375°C，因此，少量氧化鎂及高嶺土的引入可以降低高溫液相出現(xiàn)的溫度，從而降低燒結(jié)溫度。此外，鎂鋁尖晶石的硬度為8，氧化鎂的引入不僅可以降低燒結(jié)溫度，促使燒結(jié)體致密化，防止晶粒異常長大，并且還不影響最后燒結(jié)體的硬度及使用性能；
有益效果:本發(fā)明以納米晶氧化鋁為主要原料，輔以少量納米晶氧化鎂，由于制成的泡沫陶瓷具有納米結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品高溫力學(xué)性能優(yōu)異、抗熱震性及耐磨性能優(yōu)良，而納米晶氧化鋁是通過對納米級勃姆石進(jìn)行煅燒、然后急速冷卻從而得到呈分散狀態(tài)的納米氧化鋁，與常規(guī)的微米級氧化鋁相比，納米氧化鋁作為彌散硬質(zhì)點與納米晶氧化鎂混合后燒結(jié)，不僅增強(qiáng)了燒結(jié)后材料的高溫硬度，同時由于其特殊的尺寸范圍，在材料中彌散分布，還能使材料保持較高的韌性，并能夠明顯抑制材料的脆性斷裂、顯著提高材料的抗熱震性能。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的闡述，以下各實施例中所用的納米晶勃姆石是依照專利號為201210395756.1、專利名稱為一種勃姆石納米晶或納米晶須的制備方法的記載制備出的納米級勃姆石;所用的納米晶氫氧化鎂可以按照專利號為200910065165.6、專利名稱為一種高純氫氧化鎂納米晶的制備方法的記載制備出的納米晶氫氧化鎂，或者是采用水熱法合成，水熱法合成時所述的水溶性Mg2+溶液是指溶于水中能夠離解出Mg2+離子的鹽類水溶液，如氯化鎂溶液、硝酸鎂溶液等。
[0016]實施例1
一種納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材料，該泡沫陶瓷材料由納米晶氧化鋁、高嶺土、納米晶氧化鎂和羥丙基甲基纖維素?zé)Y(jié)而成，且各成分的重量百分含量為:納米晶氧化鋁90%、高嶺土2%、納米晶氧化鎂5%和羥丙基甲基纖維素3%;其中，納米晶氧化鋁由納米晶勃姆石在1100°C溫度下煅燒3h后得到；納米晶氧化鎂由納米晶氫氧化鎂在350°C溫度下煅燒30min后得到；
所述納米晶勃姆石煅燒得到納米晶氧化鋁的具體工藝為:納米晶勃姆石先在500°C預(yù)燒lh，預(yù)燒后以200°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，得到納米氧化鋁粉體，然后再將得到的納米氧化鋁粉體在1100°C溫度下煅燒3h，煅燒結(jié)束后以300°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，即得到納米晶氧化鋁；
所述納米晶氫氧化鎂在350°C溫度下煅燒30min后，再以200°C/min的降溫速率急速冷卻至常溫，即得到納米晶氧化鎂。
[0017]上述納米結(jié)構(gòu)剛玉質(zhì)泡沫陶瓷材