專利名稱：多孔NiAl/Al₂TiO₅復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多孔材料及其制備工藝，尤其是一種多孔的NiAVAl2TiO5復合材料及其制備方法，屬于材料合成與加工領域。
背景技術：
當今，減少汽車尾氣排放保護環(huán)境是全球范圍內關注的焦點。目前，對汽車尾氣凈化用的催化劑載體材料主要有陶瓷和金屬兩類。為了固定催化劑，通常在載體表面均勻地涂覆一層高比表面積的Y-Al2O3涂層，然后再把貴金屬活性催化劑成分附載在其表面上。 對于金屬載體，因為Y -Al2O3涂層與金屬基體的熱膨脹系數有較大的差異，易使涂層和催化劑從載體上脫落，從而失去催化凈化效果。而對于陶瓷載體，得到廣泛應用的是堇青石和碳化硅陶瓷載體材料，其結構是蜂窩狀，稱為蜂窩陶瓷載體。因為堇青石載體材料的熱導率、強度不足，導致汽車冷啟動時催化劑起燃慢，汽車行駛顛簸時容易破碎等問題。碳化硅載體材料盡管導熱率高，強度高，耐高溫性好，但線漲系數大，耐熱沖擊性差。加之目前催化劑載體的制備工藝，使得催化劑載體的壁面均為光滑平直的，不利于催化劑的負載。因此， 目前在用的催化劑載體從材料自身的性能到載體的制備工藝，都難以滿足日益嚴苛的汽車尾氣排放技術要求，開發(fā)性能優(yōu)異的載體材料及孔型理想的制備工藝具有重要意義。鎳-鋁金屬間化合物-NiAl材料具有良好耐高溫性、導熱及導電性，被廣泛用作高溫結構件和耐高溫涂層，鈦酸鋁-Al2TiO5M料是集低膨脹系數和高熔點為一體的陶瓷材料，且具有抗渣、耐蝕、耐堿和對多種金屬及玻璃的不浸潤的特點，被廣泛應用于抗熱震、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕、抗堿等條件苛刻的環(huán)境，特別是要求高抗熱震的場合。如果將MAl和Α12 05材料做成多孔結構，都能滿足催化劑載體的兩種或者以上重要性能要求。中國專利CN200410046492. 4提出了以Ni、Al元素粉末為原料，采用能耗低、工藝簡單的自蔓延高溫合成技術，獲得MAl金屬間化合物多孔材料，用于催化劑載體。中國專利CN200780045679. 4發(fā)明了一種Al2TiO5質蜂窩狀陶瓷的制造方法，此方法是以TiO2和 Al2O3粉末為原料制成坯體后進行燒結，得到直通孔的Al2TiO5質蜂窩陶瓷載體。日本專利 2005-519834和W02005/018776，公開了通過調整TW2和Al2O3粉末的配比、加入添加劑等， 抑制Al2TiO5的熱分解，提高抗壓強度的技術。上述專利雖然通過不同方法合成NiAl或者Al2TiO5,并制成了不同孔型的多孔材料。但存在下列缺點(1)純粹的NiAl金屬間化合物材料或者Α12 05陶瓷材料，很難滿足汽車尾氣凈化器載體的耐高溫性、導熱性以及抗熱振性等綜合性能要求；( 多孔材料的孔隙率和熱膨脹系數調節(jié)范圍小，應用領域有限。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述現有技術的不足，提供一種由NiAl和Al2TiO5組成的多孔NiAl/ Al2TiO5復合材料，以及合成這種多孔復合材料的方法。為達到上述目的，本發(fā)明的多孔復合材料是以工業(yè)純的Ni、Al、Ti02、Al2O3粉末為原料，首先通過高溫燒結反應TiA+Al203 — Al2TiO5,合成Al2TiO5,再將破碎后的Al2TiO5 與Ni、Al粉末混合，并加入一定量的C粉做造孔劑兼作發(fā)熱劑，均勻混合后壓制成坯體，通過自蔓延高溫合成反應生成由NiAl和Al2TiO5兩相組成的多孔復合材料。在合成 NiAVAl2TiO5復合材料的同時，又獲得具有三維連通孔洞的多孔結構。這種多孔復合材料孔隙率33 61 %，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa,溫度20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X1(T6,C。反應式為Ni+Al+Al2Ti05 — NiAl+Al2Ti05①這種多孔NiAVAl2TiO5復合材料材料的強度、孔隙率、熱膨脹系數調節(jié)范圍大，生產工藝簡單，成品率高，多孔材料可用作催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體。本發(fā)明的多孔復合材料制備方法如下第一步備好工業(yè)純的Ni、Al、Ti02、Al203、C粉末原料，其中Ni、Ti02、Al203、C粉末粒度為200目，Al粉粒度為100目。第二步=Al2TiO5粉末合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3=I 1稱量，混合后裝入模具中，采用模壓成型方法壓制成圓柱形壓坯，通過燒結反應獲得產物Al2TiO5,再將燒結的Al2TiO5坯體破碎，磨成粉末備用；第三步Ni+Al粉末配制將Ni、Al粉末按照摩爾比Ni Al = 1 1 (mol)稱量，混合后備用，混合粉末標注為(Ni+Al)；第四步反應物料配制將上述獲得的Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照反應式③配成反應物料，公式③中 χ為反應體系中Al2TiO5的質量百分比，本發(fā)明中χ為10-40%，S卩(Ni+Al) Al2TiO5(wt%) =(60 90) (10 40)；(Ni+Al)+χ Al2TiO5 — NiAl+x Al2TiO5③在這種反應物料中，(Ni+Al)作為反應劑，Al2TiO5既是添加劑也兼作自蔓延高溫合成反應的稀釋劑。第五步反應物料混合采用濕法混合，即向步驟(4)稱量好的反應物料中加入無水乙醇，邊加入邊攪動， 混合成泥狀物，裝入模具中，采用模壓成型方法，制成圓柱形壓坯。第六步反應物料的干燥和預熱將反應物料壓坯放在干燥箱中保溫，使物料乙醇揮發(fā)干燥；再將干燥好的壓坯放入真空爐中進行預熱，使乙醇完全揮發(fā)；第七步反應合成獲得多孔NiAVAl2TiO5復合材料用通電鎢絲與預熱的壓坯接觸，引發(fā)自蔓延高溫合成反應獲得多孔NiAVAl2TiO5 復合材料，反應后的產物為多孔狀，孔洞為三位連通的通孔，產物外型與原坯相比尺寸變化少，形狀接近；產物物相由NiAl、Al2TiO5兩相組成，即為多孔的NiAVAl2TiO5復合材料；多孔材料孔隙率33 61 %，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa,溫度20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X1(T6/°C。
本發(fā)明更詳細的制備方法如下第一步粉末原料準備備好工業(yè)純的Ni、Al、Ti02、A1203、C粉末原料，其中Ni、Ti02、A1203、C粉末粒度為 200目，Al粉粒度為100目。第二步=Al2TiO5粉末合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3=I 1 (mol)稱量，在行星球磨機上混合4小時，裝入模具中，采用模壓成型方法，施加50MPa的壓力制成Φ 20mm、高20mm的圓柱形壓坯。將壓胚放在電阻爐中燒結，燒結工藝1450°C X !，通過燒結反應Ti02+Al203 ^ Al2TiO5②先獲得產物Al2TiO5,再將燒結的Al2TiO5坯體破碎，球磨成粒度為200目的粉末備用；第三步Ni+Al粉末配制將Ni、Al粉末按照摩爾比Ni Al = 1 1 (mol)稱量，在行星球磨機上混合4小時后備用，混合粉末標注為(Ni+Al)；第四步反應物料配制將上述獲得的Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照反應式③配成反應物料，同時加入 (Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量5 15%的C粉;(Ni+Al)+χ Al2TiO5 — NiAl+x Al2TiO5③式中，χ為10-40 %，表示反應體系中Al2TiO5的質量百分比，即 (Ni+Al) Al2TiO5 (wt% ) = (60 90) (10 40)。在這種反應物料中，(Ni+Al)作為反應劑，Al2TiO5既是添加劑也兼作自蔓延高溫合成反應的稀釋劑，C粉既是造孔劑又兼發(fā)熱劑、增強劑，C粉燃燒揮發(fā)形成孔洞，同時也產生輔助熱量，加快反應波蔓延速度，促進NiAl和Al2TiO5兩相的結合，提高多孔材料的抗壓強度。第五步反應物料混合采用濕法混合，即向步驟(4)稱量好的反應物料中加入無水乙醇，邊加入邊攪動， 混合成泥狀物。裝入模具中，采用模壓成型方法，施加SOMI^a的壓力制成Φ20πιπι、高20mm的圓柱形壓坯。第六步反應物料干燥和預熱將反應物料壓坯放在100°C的干燥箱中保溫5小時，使乙醇揮發(fā)干燥；將干燥好的壓坯放入真空爐中，緩慢加熱到500°C并保溫0. 5小時進行預熱，乙醇也完全揮發(fā)；第七步反應合成用通電鎢絲與預熱的壓坯接觸，引發(fā)自蔓延高溫合成反應，獲得多孔NiAVAl2TiO5 復合材料。因為預熱溫度高達500 V，反應容易引發(fā)。加之C粉燃燒揮發(fā)，在形成孔洞的同時也產生輔助熱量，反應波蔓延速度快，整個壓坯中的反應在5 10秒內即可完成；反應后的產物為多孔狀，孔洞為三位連通的通孔，產物外型與原坯相比尺寸變化少，形狀接近；產物物相由NiAl、Al2Ti05兩相組成，即為多孔的NiAVAl2TiO5復合材料；多孔材料孔隙率33 61%，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa，溫度20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X 10_6/°C。
本發(fā)明孔隙率和抗壓強度的檢測方法依據國標GB/T1966-1996、GB/T1964-1996。本發(fā)明的多孔的NiAVAl2TiO5復合材料及其制備方法具有以下突出的特點①以 Ni、Al、TiO2, A1203、C粉末原料，通過反應燒結與自蔓延高溫合成反應技術相結合，獲得由 NiAl和Al2TiO5兩相組成的NiAVAl2TiO5復合材料，成本低廉，工藝簡單；②本發(fā)明的NiAl/ Al2TiO5復合材料，充分發(fā)揮NiAl和Al2TiO5兩者的性能優(yōu)勢，既利用耐高溫性好的Al2TiO5 減少MAl基材料的熱膨脹系數，又具有比單純Al2TiO5更高的強度，擴大了材料的應用范圍；反應中Ni+Al作為反應劑，反應后的NiAl又是Al2TiO5分解的抑制劑，而Al2TiO5添加劑也兼作自蔓延高溫合成反應的稀釋劑；③多孔MAVAl2TiO5復合材料的孔洞為三維連通的結構，并且通過調整原料配比可獲得孔隙率33 61%，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa,20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7 X 10_6/°C的多孔材料，性能調節(jié)范圍大，這種多孔材料可用作催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體。


圖1是本發(fā)明孔隙率為33%、抗壓強度為17. 5Mpa的多孔NiAVAl2TiO5復合材料的微觀形貌圖；圖2是本發(fā)明孔隙率51 %、抗壓強度12. 4Mpa多孔NiAVAl2TiO5復合材料的微觀形貌圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和具體實施例進一步了解本發(fā)明。從圖1、圖2可以看出，本發(fā)明的多孔NiAVAl2TiO5M料微觀孔洞結構為通孔，即是三位連通的開孔，有助于氣體和液體的流通。實施例1 第一步粉末原料準備備好工業(yè)純的Ni、Al、TiO2, A1203、C粉末原料，其中Ni、Ti02、A1203、C粉末粒度為 200目，Al粉粒度為100目。第二步=Al2TiO5粉末合成將Ti02、Al2O3粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3=I 1 (mol)稱量，在行星球磨機上混合4小時，裝入模具中，采用模壓成型方法，施加50MPa的壓力制成Φ 20mm、高20mm的圓柱形壓坯。將壓胚放在電阻爐中燒結，燒結工藝1450°C X池，通過燒結反應先獲得產物 Al2TiO5，再將燒結的Al2TiO5坯體破碎，球磨成粒度為200目的粉末備用；第三步Ni+Al粉末配制將Ni、Al粉末按照摩爾比Ni Al = 1 1 (mol)稱量，在行星球磨機上混合4小時后備用，混合粉末標注為(Ni+Al)；第四步反應物料配制將上述獲得的Al2TiO5 粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt% )= 90 10的比例配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+χ Al2TiO5粉末總質量的5%的C粉進行配制；第五步反應物料混合。采用濕法混合，即向步驟(4)稱量好的反應物料中加入無水乙醇，邊加入邊攪動，混合成泥狀物。裝入模具中，采用模壓成型方法，施加SOMPa的壓力制成Φ 20mm、高20mm的圓柱形壓坯。第六步反應物料干燥和預熱將反應物料壓坯放在100°C的干燥箱中保溫5小時，使乙醇揮發(fā)干燥；再將干燥好的壓坯放入真空爐中，緩慢加熱到500°C并保溫0. 5小時進行預熱，使乙醇完全揮發(fā)；第七步反應合成用通電鎢絲與預熱的壓坯接觸，引發(fā)自蔓延高溫合成反應，獲得多孔NiAVAl2TiO5 復合材料。因為預熱溫度高達500°C，反應容易引發(fā)。加之C粉燃燒揮發(fā)，在形成孔洞的同時也產生輔助熱量，反應波蔓延速度快，整個壓坯中的反應在8 10秒內即可完成；反應后的產物為多孔狀，孔洞為三位連通的通孔，產物外型與原坯相比尺寸變化少，形狀接近；產物物相由NiAl、Al2TiO5兩相組成，即為圖1所示的多孔NiAVAl2TiO5復合材料；多孔材料的孔隙率33%，抗壓強度17. 5MPa，熱膨脹系數13. 7 X 10_6/°C，產品有關性能如表1。表 權利要求
1.一種多孔NiAVAl2TiO5復合材料，其特征在于，它是以工業(yè)純的Ni、Al、TiO2, Al2O3 粉末為原料，首先通過高溫燒結反應Ti&+Al203 — Al2TiO5,合成Al2TiO5,再將破碎后的 Al2TiO5與Ni、A1粉末混合，并加入C粉做造孔劑兼作發(fā)熱劑，均勻混合后壓制成坯體，通過自蔓延高溫合成反應生成由NiAl和Al2TiO5兩相組成的多孔復合材料，這種多孔復合材料具有三維連通孔洞的多孔結構，孔隙率為33 61 %，抗壓強度為4. 4 17. 5Mpa,溫度20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X 10-6/oC ；反應式為Ni+Al+Al2Ti05 — NiAl+Al2Ti05。
2.一種制備如權利要求1所述的多孔復合材料的方法，其特征在于，步驟如下 第一步備好工業(yè)純的Ni、Al、TiO2,Al2O3^C粉末原料，其中Ni、Ti02、A1203、C粉末粒度為200目，Al粉粒度為100目； 第二步=Al2TiO5粉末合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TW2 Al2O3 = 1 1稱量，混合后裝入模具中，采用模壓成型方法壓制成圓柱形壓坯，通過燒結反應獲得產物Al2TiO5,再將燒結的Al2TiO5坯體破碎，磨成粉末備用；第三步Ni+Al粉末配制將Ni、Al粉末按照摩爾比Ni Al = 1 l(mol)稱量，混合后備用，混合粉末標注為 (Ni+Al)；第四步反應物料配制將上述獲得的Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt% ) = (60 90) (10 40)進行配比； 第五步反應物料混合向步驟四稱量好的反應物料中加入無水乙醇，邊加入邊攪動，混合成泥狀物，裝入模具中，采用模壓成型方法，制成圓柱形壓坯； 第六步反應物料的干燥和預熱將反應物料壓坯放在干燥箱中保溫，使物料乙醇揮發(fā)干燥；再將干燥好的壓坯放入真空爐中進行預熱，使乙醇完全揮發(fā)；第七步反應合成獲得多孔NiAVAl2TiO5復合材料用通電鎢絲與預熱的壓坯接觸，引發(fā)自蔓延高溫合成反應獲得多孔NiAVAl2TiO5復合材料，反應后的產物為多孔狀，孔洞為三位連通的通孔，多孔材料孔隙率33 61 %，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa，溫度20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X10_7°C。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟如下 第一步粉末原料準備備好工業(yè)純的Ni、Al、TiO2, A1203、C粉末原料，其中Ni、TiO2, A1203、C粉末粒度為200 目，Al粉粒度為100目；第二步=Al2TiO5粉末合成將Ti02、Al203粉末按照摩爾比TiO2 Al2O3=I l(mol)稱量，在行星球磨機上混合 4小時，裝入模具中，采用模壓成型方法，施加50MPa的壓力制成Φ20πιπι、高20mm的圓柱形壓坯。將壓胚放在電阻爐中燒結，燒結工藝1450°C X !，通過燒結反應 Ti02+Al203 — Al2TiO5先獲得產物Al2TiO5，再將燒結的Al2TiO5坯體破碎，球磨成粒度為200目的粉末備用； 第三步Ni+Al粉末配制將Ni、Al粉末按照摩爾比Ni Al = I l(mol)稱量，在行星球磨機上混合4小時后備用，混合粉末標注為(Ni+Al)； 第四步反應物料配制將上述獲得的Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt% ) = (60 90) (10 40)配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+xAl2Ti05粉末總質量5 15%的C粉； 第五步反應物料混合向步驟四稱量好的反應物料中加入無水乙醇，邊加入邊攪動，混合成泥狀物。裝入模具中，采用模壓成型方法，施加80MPa的壓力制成Φ 20mm、高20mm的圓柱形壓坯； 第六步反應物料干燥和預熱將反應物料壓坯放在100°C的干燥箱中保溫5小時，使乙醇揮發(fā)干燥；將干燥好的壓坯放入真空爐中，緩慢加熱到500°C并保溫0. 5小時進行預熱，乙醇也完全揮發(fā)； 第七步反應合成用通電鎢絲與預熱的壓坯接觸，引發(fā)自蔓延高溫合成反應，獲得孔洞為三位連通通孔的多孔NiAVAl2TiO5復合材料，多孔材料孔隙率33 61 %，抗壓強度4. 4 17. 5Mpa,溫度 20 600°C的熱膨脹系數為7. 8 13. 7X10_7°C。
4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第三步中反應物料配制時，Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt%) =90 10配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量5%的C粉；第七步中，整個反應在8-10秒內完成，獲得的多孔材料孔隙率為33%，抗壓強度為 17. 5MPa，溫度20 600°C時的熱膨脹系數為13. 7X10_6,C。
5.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第三步中反應物料配制時，Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt%) =80 20配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量10%的C粉；第七步中獲得的多孔材料孔隙率為47%，抗壓強度為14. 2MPa，溫度20 600°C時的熱膨脹系數為13. 3 X IO-V0C0
6.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第三步中反應物料配制時，Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt%) =70 30配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量10%的C粉；第七步中獲得的多孔材料孔隙率為51%，抗壓強度為12. 4MPa，溫度20 600°C時的熱膨脹系數為12. 6 X IO-V0C0
7.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第三步中反應物料配制時，Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt%) =60 40配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量10%的C粉；第七步中獲得的多孔材料孔隙率為47%，抗壓強度為8. 7MPa，溫度20 600°C時的熱膨脹系數為10. 3 χ io-6/0c0
8.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第三步中反應物料配制時，Al2TiO5粉末與(Ni+Al)粉末按照(Ni+Al) Al2TiO5(wt%)=60 40配成反應物料，同時加入(Ni+Al)+XAl2TiO5粉末總質量15%的C粉；第七步中獲得的多孔材料孔隙率為61%，抗壓強度為4. 4MPa，溫度20 600°C時的熱膨脹系數為7. 8 X ΙΟ—6/°C。
9.如權利要求3所述的多孔材料在催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體中的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔NiAl/Al2TiO5復合材料以及制備方法，它是以工業(yè)純的Ni、Al、TiO2、Al2O3粉末為原料，首先通過高溫燒結反應TiO2+Al2O3→Al2TiO5，合成Al2TiO5，再將破碎后的Al2TiO5與Ni、Al粉末混合，并加入C粉做造孔劑兼作發(fā)熱劑，均勻混合后壓制成坯體，通過自蔓延高溫合成反應生成由NiAl和Al2TiO5兩相組成的多孔復合材料。這種多孔復合材料材料的強度、孔隙率、熱膨脹系數調節(jié)范圍大，生產工藝簡單，成品率高，可用作催化、環(huán)境凈化中的載體和過濾體。
文檔編號C22C32/00GK102212735SQ20111010977
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月17日 優(yōu)先權日2011年4月17日
發(fā)明者姜琳, 崔洪芝, 曹麗麗, 葛傳良, 谷征征 申請人:山東科技大學