一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷及制備方法
【專利摘要】一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷及制備方法。所述復(fù)合陶瓷由具有梯度孔結(jié)構(gòu)的多孔支撐體以及涂覆在支撐體外表面的微孔濾膜層構(gòu)成,多孔支撐體中的氣孔孔徑自內(nèi)向微孔濾膜層依次遞減形成梯度孔,最大孔隙介乎80-100um,最小孔隙介乎20-40um,制備支撐體的原料為金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒;支撐體外表面所涂覆表面微孔濾膜層中微孔孔徑介乎2nm-5um,濾膜層的主體材質(zhì)為莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維、堇青石纖維或尖晶石型復(fù)合氧化物纖維中的一種。所述制備方法包括含梯度孔的金屬陶瓷支撐體素坯制備、微孔濾膜在支撐體素坯上的涂覆以及燒結(jié)。本發(fā)明所提供復(fù)合陶瓷可用于高溫?zé)煔庵蠵M2.5的直接過(guò)濾,并且其抗熱震性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷過(guò)濾元件,且壓降也較傳統(tǒng)陶瓷過(guò)濾元件低很多,其制造成本遠(yuǎn)低于金屬過(guò)濾元件。
【專利說(shuō)明】一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明特別涉及一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷及制備方法,屬于復(fù)合陶瓷濾料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼鐵冶金、有色冶金與煤化工等工業(yè)領(lǐng)域有大量的高溫?zé)煔庑枰獌艋幚?。包括旋風(fēng)收塵、電收塵、布袋收塵與濕法常溫凈化等在內(nèi)的傳統(tǒng)煙氣處理方法,要么存在收塵效果不理想與二次污染的缺陷,要么難直接回收煙氣中的高品位潛熱。為了解決現(xiàn)有高溫收塵中的問(wèn)題,專利CN101934177B提出了采用顆粒床進(jìn)行高溫?zé)煔獾膬艋湓谔幚砀邷責(zé)煔獾姆椒ù_實(shí)有其獨(dú)特之處,但由于濾料堆積所形成孔隙難阻擋細(xì)顆粒粉塵的事實(shí),導(dǎo)致這些專利存在處理后煙氣中依然還有較多的細(xì)顆粒粉塵等缺陷。煤氣化發(fā)電行業(yè)為了提高能源的利用效率,開發(fā)了基于多孔陶瓷過(guò)濾管的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)與增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)(PFBC)等潔凈煤發(fā)電系統(tǒng),這些系統(tǒng)顯現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景;這些系統(tǒng)能否長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的關(guān)鍵是過(guò)濾管的壽命。陶瓷過(guò)濾管所固有的抗熱震性差等缺陷,迫使各國(guó)研究人員在尋找提高過(guò)濾管性能的方法,如:為了降低陶瓷管的壓降,專利CN10195426B就將陶瓷纖維加入到了過(guò)濾管的制備中;為了改善陶瓷管支撐體的燒結(jié)性能,專利CN101913874B提出了對(duì)制備陶瓷管支撐體的骨料進(jìn)行預(yù)處理。盡管這些改進(jìn)在一定程度上改善了陶瓷管性能,但是,依然沒(méi)有從根本上改變由于陶瓷本身屬性所帶來(lái)的陶瓷管易脆、抗熱震性差等問(wèn)題。為了克服陶瓷的缺陷,專利1314477C提供了一種金屬過(guò)濾元件,盡管該材料過(guò)濾性能優(yōu)良,但由于它的制造原料是金屬粉末或合金,從而導(dǎo)致其成本較聞。
[0003]基于煙氣過(guò)濾用陶瓷過(guò)濾元件存在熱脆性大等缺陷以及金屬過(guò)濾元件的制造成本高的現(xiàn)狀,本發(fā)明人經(jīng)反復(fù)研究,并結(jié)合陶瓷與高溫耐蝕合金的優(yōu)點(diǎn),發(fā)明了一種耐高溫腐蝕、抗熱震性良好且制造成本低的、具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有陶瓷過(guò)濾元件存在易脆以及抗熱震性差等問(wèn)題,而提供一種結(jié)構(gòu)合理、制造成本低、具有良好的抗高溫腐蝕性及優(yōu)秀的抗熱震性與低壓降特性的具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷及制備方法。
[0005]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述復(fù)合陶瓷包括具有梯度孔結(jié)構(gòu)的多孔支撐體以及涂覆在支撐體外表面的表面微孔濾膜層;所述多孔支撐體由金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒燒結(jié)得到;所述表面微孔濾膜層由礦物纖維經(jīng)造孔、燒結(jié)得到。
[0006]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述多孔支撐體中,通過(guò)分層布置不同粒徑金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒、然后燒結(jié),形成梯度孔結(jié)構(gòu)多孔支撐體;梯度孔結(jié)構(gòu)的孔徑,自多孔支撐體的一面向涂覆有微孔濾膜層的表面依次梯次遞減,大孔尺寸為80-100um,小孔尺寸20_40um。[0007]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒由金屬相與陶瓷相按質(zhì)量百分比=5-10:95~90組成。
[0008]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述陶瓷相的組成成分為:SnO2-AB2O4,其中=AB2O4為尖晶石型復(fù)合氧化物,A選自N1、Mg、Co、Zn、Cu、Fe元素中的一種,B選自Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge兀素中的一種,且A、B所選擇的兀素不相同。
[0009]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述金屬相選自Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素構(gòu)成的合金,且合金的熔點(diǎn)≥1150°C。
[0010]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述表面微孔濾膜層的厚度為50_200um,濾膜層中微孔孔徑為2nm_5um。
[0011]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,構(gòu)成表面微孔濾膜的礦物纖維選自莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維、堇青石纖維、尖晶石型復(fù)合氧化物纖維中的任意一種。
[0012]本發(fā)明一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷的制備方法,包括下述步驟:
[0013]第一步:金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒制備用原料的準(zhǔn)備
[0014]a.陶瓷粉末制備:稱取粒徑小于100nm的SnO2、含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物,混合后加到分散溶劑中球磨2-10h,球磨后所得第一混合粉末在650-1350°C煅燒5_15h,煅燒產(chǎn)物再經(jīng) 過(guò)氣流粉碎與分級(jí)來(lái)得到粒徑≤Ium的納微級(jí)陶瓷粉末;其中,SnO2的質(zhì)量為第一混合粉末質(zhì)量的50-95%,余量為含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物,且含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物的量嚴(yán)格按照AB2O4進(jìn)行稱取,A為N1、Mg、Co、Zn、Cu、Fe中的一種,B為Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge中的一種,且A、B所選擇的元素不相同;
[0015]b.納米合金粉體制備:
[0016]取Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素構(gòu)成的合金在保護(hù)氣氛下球磨至粒度≤100nm,得到納米合金粉體;或
[0017]取Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素,經(jīng)機(jī)械合金化技術(shù)制備粒徑≤100nm合金粉末,得到納米合金粉體;
[0018]第二步:造粒、成球
[0019]將第一步獲得的納微級(jí)陶瓷粉體與納米合金粉體混合均勻得到金屬-陶瓷混合粉末,然后往金屬-陶瓷混合粉末中噴入粘結(jié)劑,制備粒徑范圍為100-300um的料粒;混合粉體中的合金粉體與陶瓷粉體的質(zhì)量百分比為5%-10%:95%~90% ;粘結(jié)劑加入量為混合粉末質(zhì)量的3-10% ;
[0020]第三步:干燥
[0021]將第2步獲得的料粒在80_120°C下,干燥2_10h,即得到具有納/微結(jié)構(gòu)的微米級(jí)金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒;
[0022]第四步:制備支撐體素坯
[0023]分別選取粒徑范圍為100-150um、150-200um與200_300um的金屬陶瓷前驅(qū)體顆
粒,向相應(yīng)粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒中分別添加占其質(zhì)量1-2%的粘結(jié)劑、35-45%的去離子水,混合均勻,配制成3種不同粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒料漿;將所述料漿分層澆鑄,分次于80-120°C烘干,得到金屬陶瓷支撐體素坯;或
[0024]向相應(yīng)粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒中分別添加占其質(zhì)量0-3%的納米合金粉體、1-2%的粘結(jié)劑、35-45%的去離子水,混合均勻,配制成3種不同粒徑范圍金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒的料漿;將所述料漿分層澆鑄,分次于80-120°C烘干,得到金屬陶瓷支撐體素坯;
[0025]所述納米合金粉體選自第一步b步驟制備的納米合金粉體;
[0026]第五步:支撐體素坯表面涂覆微孔濾膜層
[0027]按設(shè)計(jì)的組分份數(shù),分別稱取礦石纖維、納米合金粉、造孔劑、粘接劑,并將稱取物均勻混合在一起,得到第二混合粉末;稱取10-15份的第二混合粉末加入到85-90份的離子水配制成料漿;分次將料漿均勻噴涂在金屬陶瓷支撐體素坯表面,然后在80-120°C烘干;
所述第二混合粉末中,各組分的份數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,所述復(fù)合陶瓷包括具有梯度孔結(jié)構(gòu)的多孔支撐體以及涂覆在支撐體外表面的表面微孔濾膜層;所述多孔支撐體由金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒燒結(jié)得到;所述表面微孔濾膜層由礦物纖維經(jīng)造孔、燒結(jié)得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:所述多孔支撐體中,通過(guò)分層布置不同粒徑金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒、然后燒結(jié),形成梯度孔結(jié)構(gòu)多孔支撐體;梯度孔結(jié)構(gòu)的孔徑,自多孔支撐體的一面向涂覆有微孔濾膜層的表面依次梯次遞減,大孔尺寸為80-100um,小孔尺寸20-40um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒由金屬相與陶瓷相按質(zhì)量百分比:5-10:95~90組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:所述陶瓷相的組成成分為=SnO2-AB2O4,其中=AB2O4為尖晶石型復(fù)合氧化物,A選自N1、Mg、Co、Zn、Cu、Fe元素中的一種,B選自Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge元素中的一種,且A、B所選擇的元素不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:所述金屬相選自Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素構(gòu)成的合金,且合金的熔點(diǎn)≥1150。。。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:所述表面微孔濾膜層的厚度為50-200um,濾膜層中微孔孔徑為2nm-5um。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷,其特征在于:構(gòu)成表面微孔濾膜的礦物纖維選自莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維、堇青石纖維、尖晶石型復(fù)合氧化物纖維中的任意一種。
8.如權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷的制備方法,包括下述步驟: 第一步:金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒制備用原料的準(zhǔn)備 a.陶瓷粉末制備:稱取粒徑小于IOOnm的SnO2、含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物,混合后加到分散溶劑中球磨2-10h,球磨后所得第一混合粉末在650-1350°C煅燒5_15h,煅燒產(chǎn)物再經(jīng)過(guò)氣流粉碎與分級(jí)來(lái)得到粒徑< Ium的納微級(jí)陶瓷粉末;其中,SnO2的質(zhì)量為第一混合粉末質(zhì)量的50-95%,余量為含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物,且含A的金屬氧化物與含B的金屬氧化物的量嚴(yán)格按照AB2O4進(jìn)行稱取,A為N1、Mg、Co、Zn、Cu、Fe中的一種,B為Fe、Al、Co、Mn、Cr、Ge中的一種,且A、B所選擇的元素不相同; b.納米合金粉體制備: 取Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素構(gòu)成的合金在保護(hù)氣氛下球磨至粒度(IOOnm,得到納米合金粉體;或 取Fe、N1、T1、Al、Cr、Cu、Co中的至少2種元素,經(jīng)機(jī)械合金化技術(shù)制備粒徑< IOOnm合金粉末,得到納米合金粉體; 第二步:造粒、成球 將第一步獲得的納微級(jí)陶瓷粉體與納米合金粉體混合均勻得到金屬-陶瓷混合粉末,然后往金屬-陶瓷混合粉末中噴入粘結(jié)劑,制備粒徑范圍為100-300um的料粒;混合粉體中的合金粉體與陶瓷粉體的質(zhì)量百分比為5%-10%:95%~90% ;粘結(jié)劑加入量為混合粉末質(zhì)量的 3-10% ; 第三步:干燥將第2步獲得的料粒在80-120°C下,干燥2-10h,即得到具有納/微結(jié)構(gòu)的微米級(jí)金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒; 第四步:制備支撐體素坯 分別選取粒徑范圍為100-150um、150-200um與200-300um的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒,向相應(yīng)粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒中分別添加占其質(zhì)量1-2%的粘結(jié)劑、35-45%的去離子水,混合均勻,配制成3種不同粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒料漿;將所述料漿分層澆鑄,分次于80-120°C烘干,得到金屬陶瓷支撐體素坯;或 向相應(yīng)粒徑范圍的金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒中分別添加占其質(zhì)量0-3%的納米合金粉體、1-2%的粘結(jié)劑、35-45%的去離子水,混合均勻,配制成3種不同粒徑范圍金屬陶瓷前驅(qū)體顆粒的料漿;將所述料漿分層澆鑄,分次于80-120°C烘干,得到金屬陶瓷支撐體素坯; 所述納米合金粉體選自第一步b步驟制備的納米合金粉體; 第五步:支撐體素坯表面涂覆微孔濾膜層 按設(shè)計(jì)的組分份數(shù),分別稱取礦石纖維、納米合金粉、造孔劑、粘接劑,并將稱取物均勻混合在一起,得到第二混合粉末;稱取10-15份的第二混合粉末加入到85-90份的離子水配制成料漿;分次將料漿均勻噴涂在金屬陶瓷支撐體素坯表面,然后在80-120°C烘干;所述第二混合粉末中,各組分的份數(shù)為:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷的制備方法,其特征在于:第一步中,所述的分散溶劑指的是甲醇、乙醇、丙酮、正己烷中的一種,分散劑的體積與混合粉末的質(zhì)量比為1-2:1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷的制備方法,其特征在于:第二步、第四步及第五步中,粘結(jié)劑選自為聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥基丙烯纖維素、聚乙二醇、聚乙烯乙醇中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有梯度孔的非均質(zhì)復(fù)合陶瓷的制備方法,其特征在于:第五步中,所述礦石纖維選自莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維、堇青石纖維、尖晶石型復(fù)合氧化物纖維中的任意一種,纖維直徑為l_4um、長(zhǎng)度為l-20um ; 所述納米合金粉體選自第一步b步驟制備的納米合金粉體; 所述造孔劑選自淀粉、尿素、碳銨中的一種。
【文檔編號(hào)】B01D69/10GK103894075SQ201410082914
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】周向陽(yáng), 張志敏, 肖熳, 文向前, 龍波, 陳春蓮 申請(qǐng)人:中南大學(xué), 北京礦迪科技有限公司, 湖南長(zhǎng)重機(jī)器股份有限公司