一種氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于泡沫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫陶瓷按孔隙之間關(guān)系可分為閉孔泡沫陶瓷和開(kāi)孔泡沫陶瓷。氧化鋁泡沫陶瓷由于具有高的比表面積、復(fù)雜的孔道分布，氣孔尺寸可控，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性以及較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于熔融金屬過(guò)濾、催化劑載體、保溫隔熱材料及建筑材料等領(lǐng)域。根據(jù)其應(yīng)用的不同，也有相應(yīng)的制備方法。
[0003]已發(fā)表的論文“聚氨酯模板法低溫制備氧化鋁泡沫陶瓷過(guò)濾器”中利用聚氨酯海綿浸漬氧化鋁粉末與磷酸二氫鋁制成的漿料，得到掛漿素坯，經(jīng)800°C熱解制備了氧化鋁泡沫陶瓷過(guò)濾器。泡沫陶瓷的體積密度為1.21 g/cm3，其抗折強(qiáng)度最高可達(dá)4.55MPa。采用有機(jī)泡沫浸漬法所得到的多孔陶瓷材料的孔尺寸和結(jié)構(gòu)完全取決于選用的有機(jī)泡沫的孔尺寸和結(jié)構(gòu)，也與涂敷在網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)上的漿料厚度有關(guān)。此法能制備出孔隙率較高且為開(kāi)孔的泡沫陶瓷，但是制品的力學(xué)性能較差，且有機(jī)物燒失量很大。
[0004]添加造孔劑法是在預(yù)制坯體的制備前，加入占有一定空間體積的造孔劑。在后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程中，低燃點(diǎn)的造孔劑被燒結(jié)汽化離開(kāi)基體，從而在坯體中行成一定的孔洞，實(shí)現(xiàn)泡沫陶瓷的制備。泡沫陶瓷中氣孔的形狀和分布取決于造孔劑的形狀和分布狀態(tài)，優(yōu)勢(shì)是可以得到形狀復(fù)雜、氣孔各異的泡沫材料，不足之處是氣孔的分布均勻性不好。專利號(hào)為CN103787691A公開(kāi)了以水和環(huán)戊烷的共混物為造孔劑，通過(guò)聚醚的聚合反應(yīng)固化，再經(jīng)開(kāi)孔處理，高溫?zé)Y(jié)后制得氧化鋁泡沫陶瓷。缺點(diǎn)是需額外的開(kāi)孔處理，且要在氧乙炔環(huán)境中，增加了操作難度。
[0005]泡沫陶瓷作為保溫隔熱材料時(shí)，為了使其熱導(dǎo)率更低，需要泡沫陶瓷具有更高的閉氣孔率。發(fā)泡法適合于高閉氣孔率陶瓷材料的制備，且制備出的泡沫陶瓷氣孔率大、強(qiáng)度高。專利號(hào)CN 104311118A公開(kāi)了在陶瓷粉體中添加多糖類有機(jī)發(fā)泡劑以及燒結(jié)助劑等，在120?180°C發(fā)泡固化后，燒成制得超輕氧化鋁泡沫陶瓷，缺點(diǎn)是添加多糖含量高、發(fā)泡溫度高。此外，發(fā)泡法制備多孔陶瓷過(guò)程中還易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，制備得到的泡沫陶瓷性能穩(wěn)定，密度小、強(qiáng)度高。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，其使用溫度〈1700°C，抗壓強(qiáng)度為7MPa?lOMPa，加熱永久線收縮(1600°CX24h)〈1.5%，1000°C熱面導(dǎo)熱系數(shù)為0.40-0.60ff/m.K，體積密度為0.7-1.0g/cm3，氣孔率為75?83%;化學(xué)組成中Al2O3含量2 95wt%，泡沫陶瓷的主晶相為基體和增強(qiáng)體的α-Α?2θ3，微量相還包括硅溶膠與基體和增強(qiáng)體高溫反應(yīng)產(chǎn)生的莫來(lái)石等。
[0008]一種氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，包括以下步驟:
(1)制備陶瓷漿料
按重量配比，取氧化鋁短纖維10~30wt%，Q-Al2O3粉體55?75wt%，造孔劑卜2%，流變劑O?lwt%，粘結(jié)劑5?15wt%，燒結(jié)助劑2?3wt%，充分混合攪拌，得到具有一定流變性能的漿料；
(2)制作陶瓷生坯
在充分混合后的漿料中加入2?5wt%的發(fā)泡劑后，70?80°C下加熱攪拌20?40s，直至漿料發(fā)泡，在漿料未產(chǎn)生坍塌之前，注入預(yù)成型無(wú)孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱中在70?75°C下養(yǎng)護(hù)0.5?lh，待坯體固化后脫模，再置于鼓風(fēng)干燥烘箱中于80?90°C下干燥4?5h，得到生坯；
(3)高溫?zé)Y(jié)成形
將生坯置于馬弗爐中，以3°C/min的升溫速率從100±10°C升溫至900±50°C，保溫50?70min;再以5°C/min從900±50°C升溫至1600?1650°C，并保溫100?120min，隨爐冷卻后經(jīng)機(jī)加工處理，得到氧化鋁閉孔泡沫陶瓷。
[0009]步驟(I)中，所述造孔劑為硫酸鈣或石墨粉中的一種或其混合物，流變劑為羧甲基纖維素，粘結(jié)劑中，低溫粘結(jié)劑為聚丙烯酰胺，高溫粘結(jié)劑為硅溶膠或鋁溶膠中的一種或其混合物，燒結(jié)助劑為高嶺土或膨潤(rùn)土中的一種或其混合物。
[0010]進(jìn)一步的，鋁溶膠的制備工藝如下:將無(wú)水AlCl3溶于水與Al微粉按照摩爾比1:5，置于反應(yīng)釜中，于90?100°C下回流反應(yīng)2?3h后，過(guò)濾得到鋁溶膠。
[0011 ] 進(jìn)一步的，硅溶膠的制備工藝如下:取正硅酸乙酯(TE0S)和無(wú)水乙醇(EtOH)混合作為A液;蒸餾水中加入濃硝酸(HNO3)和冰醋酸(HAc)作為B液;將A液邊攪拌邊緩慢注入B液中，靜置0.5?Ih后，即為硅溶膠，其中，各反應(yīng)物的體積比為TEOS: ETOH: HNO3: HAc=2.5:1:0.3:0.3ο
[0012]步驟(I)中，氧化鋁短纖維的制備工藝如下:將氧化鋁凝膠纖維置于馬弗爐中，以2°C/min從100°C升溫至500°C，并保溫0.5?Ih，隨爐冷卻后破碎形成3?5mm的短纖維。
[0013]步驟(2)中，發(fā)泡劑為雙氧水或碳酸鈣的一種或其混合物。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)采用氧化鋁纖維作為增強(qiáng)體，利用纖維的拔出、橋聯(lián)，裂紋偏轉(zhuǎn)等增強(qiáng)機(jī)理，提高了泡沫陶瓷基體的斷裂韌性。
[0015](2)硅溶膠等物質(zhì)與基體在高溫下原位合成莫來(lái)石晶須等，提高了泡沫陶瓷的強(qiáng)度，起到進(jìn)一步增韌的作用，同時(shí)高溫形成的一些玻璃相能夠有效地減少泡沫陶瓷的掉渣和粉化。
[0016](3)采用發(fā)泡法與造孔劑法相結(jié)合的方式，制得的微小氣孔分布均勻，在不降低陶瓷抗壓強(qiáng)度的情況下，進(jìn)一步提高其氣孔率，進(jìn)而提高泡沫陶瓷的保溫隔熱性能。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述的氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷的實(shí)物圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1:
取50ml的正硅酸乙酯(TEOS)和20ml的乙醇(EtOH)混合作為A液;50ml的水中加入6ml的濃硝酸(HNO3)和6ml的冰醋酸(HAc)作為B液;將A液邊攪拌邊緩慢注入B液中，靜置0.5?Ih后，即為硅溶膠，制備得到的硅溶膠膠粒粒徑小、直徑分布窄，性能穩(wěn)定，能保存20h以上。
[0020]將氧化鋁凝膠纖維放入馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從100°C升溫至500°C，并保溫0.5~lh，使凝膠纖維完全碳化，隨爐冷卻后破碎成3?5mm的短纖維。
[0021 ] 取30wt%氧化招短纖維和55wt%的α-Α?2θ3粉體，加入石墨粉2.0wt%，羧甲基纖維素1.0wt%，聚丙稀酰胺1.0wt%，高嶺土2.0wt%，娃溶膠6.0%和適量蒸饋水，充分混合攪拌，得到具有一定流變性能的漿料。再加入3.0wt%的碳酸鈣后，70°C加熱攪拌30s，酸性硅溶膠與碳酸鈣反應(yīng)，漿料發(fā)泡、體積膨脹。
[0022]在泡沫塌陷之前，將上述漿料注入預(yù)成型無(wú)孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱中在70°C下養(yǎng)護(hù)0.5h后發(fā)泡完畢。待坯體固化后脫模，再放入鼓風(fēng)干燥烘箱中85°C干燥5h，得到生坯。生坯以3°C/min從100°C升溫至900°C，保溫60min，再以5°C/min升溫至1600°C，并保溫120min，然后隨爐自然冷卻。目的是在低溫階段有機(jī)物所產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體緩慢從陶瓷基體中逸出，形成泡沫狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)使陶瓷基體不會(huì)因內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生微裂紋等缺陷，保證了泡沫陶瓷的強(qiáng)度。經(jīng)機(jī)加工處理后，得到氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，如圖1所示。
[0023]目前制備的硅溶膠多采用添加氨水等堿性試劑水解法。缺點(diǎn)是氨水揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的刺激性，其次制備的膠粒粒徑大、易團(tuán)聚，保存時(shí)間短。燒結(jié)過(guò)程的升溫速率如果過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料的開(kāi)裂、變形，如果過(guò)低會(huì)減緩晶粒之間的致密化進(jìn)程，降低制品的性能，且耗電量增加。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，采用本實(shí)施例中的燒結(jié)工藝更為合理。
[0024]采用上述制法制得的氧化鋁纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷主晶相為氧化鋁纖維和基體的CX-AI2O3，有機(jī)物等在尚溫時(shí)完全揮發(fā)，樣品中主要含有兀素為招、氧、娃和其他一些微量元素。該氧化鋁泡沫陶瓷的體積密度約為0.75g/cm3，氣孔率約為83%。1000°C熱面導(dǎo)熱系數(shù)約為0.42ff/m-K,加熱永久線收縮(1600°C X 24h)約為1.3%，抗壓強(qiáng)度約為7.6MPa。
[0025]實(shí)施例2:
將30g無(wú)水氯化鋁溶于500ml水中，然后和30.3g鋁微粉放入反應(yīng)釜中，90?100°C加熱回流2?3h，過(guò)濾得到鋁溶膠(Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12.1%)。其ζ電位值約為35mV，可穩(wěn)定保存至3d以上。
[0026]取2(^七%氧化鋁短纖維和60wt°/c^a-Al203粉體，加入二水合硫酸鈣2.0wt%，羧甲基纖維素I.0wt%，聚丙稀酰胺1.0wt%，招溶膠8wt%，膨潤(rùn)土3.0wt%。加入適量蒸饋水后充分混合攪拌，得到具有一定流變性能的漿料。再加入5.0wt%的過(guò)氧化氫溶液后，70°C加熱攪拌40s，直至漿料發(fā)泡。
[0027]在泡沫塌陷之前，將上述漿料注入預(yù)成型無(wú)孔