专利名称：多孔玻璃陶瓷、制备方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料，尤其是TiB2陶瓷颗粒分布在Al2O3-B2O3-MgO玻璃基体中的复合多孔材料。本发明也涉及这种复合材料的制备方法用途。
背景技术：
玻璃陶瓷是玻璃与陶瓷的结合物。传统的制作方法是将玻璃与陶瓷的粉状物长时间加热共熔而成，这种方法能耗高，工艺复杂，制备出来的多孔玻璃材料成本较高，强度低，而且孔径大。如中国专利公开号CN1850682公开了一种“利用铁矿石尾矿制备多孔玻璃复合材料的方法”，利用这种方法制备多孔玻璃复合材料时，工艺复杂，制备出来的材料孔径为0.9mm，容重1.5g/cm3，抗压强度为60Mpa。
近年来出现了自蔓延高温合成技术(SHS)制取金属间化合物，但还没有用这种方法制备多孔玻璃陶瓷的。它具有下列优势①节能，不需要高温加热炉；②反应效率高，燃烧波的移动速度一般为每秒钟几毫米到几厘米，整个经历时间短；③产物纯度高，反应过程的高温能使多数杂质气化；④工艺简单。这种SHS过程可以通过两种方法实现，即蔓延燃烧和热爆燃烧。蔓延燃烧是通过外部热源引发反应，依靠反应热激发生坯中邻近区域的反应，形成自我维持的燃烧波。热爆燃烧是将生坯均匀加热到燃烧温度，反应在整个坯体中同时开始，同步结束。
发明内容
本发明为解决现有玻璃陶瓷成本高、强度低的问题，提供一种利用自蔓延高温化学合成法合成的多孔玻璃陶瓷；本发明为解决现有制备玻璃陶瓷工艺复杂、成本高的问题，提供一种制取多孔玻璃陶瓷的方法；本发明同时提供上述多孔玻璃陶瓷的用途。
为解决上述问题，本发明的多孔玻璃陶瓷是将TiO2、B2O3、Al、Mg四种粉末按照要求的配比球磨混合、轴压致密制成生坯，利用外部热源引发反应，原位合成在Al2O3-B2O3-MgO玻璃相基体中均匀分散着尺寸小于0.5μm的TiB2颗粒晶相，这种多孔玻璃陶瓷的表观孔隙率达到52-58％，总体平均孔隙率达到66-70％，孔径为17-60微米，抗压强度为80-120Mpa。
其具体制备方法是一、取反应物粉末按照下述反应式配比称取TiO、B2O3、Al、Mg四种物质，在空气中球磨混合成粒径小于45μm的反应物粉末。
αTiO2+(α+x)B2O3+2βAl+γMg→αTiB2+βAl2O3.xB2O3γMgO其中β可以是任何数α＝0.2(3β+γ)γ＝βfm/fax＝βfb/fa上述的fm，fn和fb分别代表玻璃基体中MgO，Al2O3和B2O3的摩尔分数(不包括TiB2)二、制取生坯将上述混合均匀的粉末装入易燃材料制作的圆柱形模具中，轴向加压紧实成为理论致密度为34-60％的低密度生坯。
制取低密度生坯的具体过程为(1)将干燥的反应物粉末装入模具中使粉末呈自然疏松状；(2)轻微震动至与所需密度相对应的粉料高度；(3)将模具装入预先加热到一定温度的炉子中保温最短的时间，温度和时间具体关系是t＝(5-10)m/T，其中t--保温时间，单位为分钟；m-生坯质量，单位为克；T-为加热炉温度，单位为K)，过高的温度或者过长的时间，可能使反应物粉末过烧结，导致点火和燃烧波蔓延困难；太低的温度和太短的时间，又造成反应物粉末欠烧结，导致坯体强度较低，后续处理困难。
三、燃烧合成采用自蔓延高温合成法中的蔓延燃烧或同步燃烧点燃生坯，引发反应，形成自我维持的燃烧波，反应在整个坯体中扩展蔓延即可合成；蔓延燃烧时，将坯体置于反应腔或者空气中，自一端点火，根据生坯的密度、颗粒大小和成分不同，自我维持燃烧温度为1200-1600℃，燃烧波蔓延速度为1-6mm/s；同步燃烧时，将坯体置于加热炉中，均匀加热至700-900℃，燃烧反应在整个坯体中同时发生，一旦反应结束，立即将坯体自加热炉中取出。
本发明的复合材料是以纯玻璃相为基体或者以绝大多数玻璃相加部分未玻璃化的区域的基体加TiB2晶相，玻璃基体的含量和成分都可以调整，通过调整反应式中的β，x，γ，可以改变玻璃基体中氧化物的相对含量。
经射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析证明，用本发明方法制备的玻璃-陶瓷复合材料以颗粒状形式存在的TiB2相的尺寸小于0.5μm，作为复合材料中唯一的晶体相分散在玻璃基体中。TiB2的尺寸依赖于坯体的成分，但一般都小于0.5μm。
反应后样品的孔隙度采用阿基米德法测量，不论生坯组成和密度如何，总体孔隙度都在66-71％范围内，而且表观孔隙度差别也较少，均为52-58％。但是由低密度的生坯(密度＜35％)得到的样品与高密度的生坯(密度＞50％)相比，孔洞分布均匀，表面光滑。
用X-Ray衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征反应后产物的微观组织结构特性。每种样品截取两组试样，一组抛光后用于SEM组织观察，另一组研磨成粉状用于XRD物相分析。
XRD分析和SEM研究结果表明当基体成分为40％B2O3-35％MgO-25％Al2O3，是纯玻璃状态。成分为45％B2O3-40％MgO-15％Al2O3的基体，具有最小的不透明区域和最少的晶化相，接近于纯玻璃态。其他成分的复合材料的基体皆为绝大部分玻璃态加部分不透明区域和一定量的晶体相。
本发明的有益效果是合成以为玻璃基体，结合TiB2陶瓷的复合材料；玻璃基体的含量和成分都可以调整；这种材料具有大的孔隙度，同时具备较高的强度；涉及的制备工艺简单，这种复合材料的制作成本低廉。
本发明最终产品具有较高的孔隙度，表观孔隙度达到52-58％，总体平均孔隙度达到66-70％，这种材料适用于催化剂载体、柴油机尾气排放微粒捕集以及其他固体颗粒的分离回收、液体的净化过滤、极端高温环境的发散冷却、气流的分布控制、气浮传输、气样采集、强化传质传热和阻燃防爆等方面，可广泛应用于环保、石油、化工、冶金、机械、能源、纺织、电力、航空、航天等许多工业领域。
具体实施例方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一制备玻璃基体为40％B2O3-40％MgO-20％Al2O3(mol.％)的玻璃陶瓷，即fm＝0.4，fa＝0.2，fb＝0.4。
按照技术方案所述称取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四种粉末，干燥后在空气中球磨混合。装入圆柱形模具中，轴向加压至理论密度53±2％。将坯体置于反应腔中并充入氩气保护，用通电加热的盘状钨丝点燃反应。燃烧温度为1360℃，燃烧波速度为2-6mm/sec。对反应产物进行XRD分析和SEM观察，结果表明基体主要是玻璃相，另有极少部分的不透明区。TiB2以颗粒状形式存在，尺寸小于0.5μm。产品平均表观孔隙率56±2％，总体平均孔隙率为68±2％。
实施例二，制备玻璃基体为40％B2O3-30％MgO-30％Al2O3(mol.％)的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.3，fa＝0.2，fb＝0.4。
按照技术方案所述称取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四种粉末，干燥后在空气中球磨混合。装入圆柱形模具中，轴向加压至理论密度55±2％。坯体放在在空气中，用通电加热的盘状钨丝点燃反应。燃烧温度为1422℃，燃烧波速度为3.2mm/sec。对反应产物进行XRD分析和SEM观察，结果表明基体全部未玻璃化状态，XRD中出现大量基体衍射峰。TiB2以颗粒状形式存在，尺寸小于0.5μm。产品平均表观孔隙率61±2％，总体平均孔隙率为71±2％。
实施例三，制备玻璃基体为50％B2O3-30％MgO-20％Al2O3(mol.％)的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.3，fa＝0.2，fb＝0.5。
按照技术方案所述称取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四种粉末，干燥后在空气中球磨混合。装入圆柱形模具中，轴向加压至理论密度55±2％。将坯体置于温度为700℃的加热炉中，反应很快在整个坯体中开始(同步燃烧)。对反应产物进行XRD分析和SEM观察，结果表明基体主要是玻璃相，另有极少部分的不透明区。TiB2以颗粒状形式存在，尺寸小于0.5μm。产品平均表观孔隙率为52±2％，总体平均孔隙率为64±2％。
实施例四制备玻璃基体为玻璃基体40％B2O3-35％MgO-25％Al2O3(mol.％)的的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.35，fa＝0.25，fb＝0.4。
按照技术方案所述称取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四种粉末，干燥后在空气中球磨混合。装入圆管状模具中，外径50mm，内径40mm，用前述技术方案中低密度生坯的准备方法，使管状坯体理论密度达到42±2％。将坯体置于反应腔中，充入氩气保护，用通电加热的盘状钨丝点燃反应。燃烧温度为1483℃，燃烧波速度为5.3mm/sec。对反应产物进行XRD分析和SEM观察，结果表明基体是单纯的玻璃相。TiB2以颗粒状形式存在，尺寸小于0.5μm。产品平均表观孔隙率为52±2％，总体平均孔隙率为65±2％。
权利要求
1.一种多孔玻璃陶瓷，其特征是，它是在Al2O3-B2O3-MgO玻璃相基体中均匀分散着尺寸小于0.5μm的TiB2陶瓷颗粒晶相，这种多孔玻璃陶瓷的表观孔隙率达到52-58％，总体平均孔隙率达到66-70％，孔径为17-60微米，抗压强度为80-120Mpa。
2.一种多孔玻璃陶瓷的制备方法，它包括以下步骤(1)制取反应物粉末按照下述反应式配比称取TiO、B2O3、Al、Mg四种物质，在空气中球磨混合成粒径小于45μm的反应物粉末；αTiO2+(α+x)B2O3+2βAl+γMg→αTiB2+βAl2O3·xB2O3γMgO其中β可以是任何数α＝0.2(3β+γ)γ＝βfm/fax＝βfb/fa上述的fm，fa和fb分别代表玻璃基体中MgO、Al2O3和B2O3的摩尔分数；(2)制取生坯将上述混合均匀的粉末装入易燃材料制作的圆柱形模具中，轴向加压紧实成为理论致密度为34-60％的生坯；制取生坯的具体过程为①将干燥的反应物粉末装入模具中使粉末呈自然疏松状；②轻微震动至与所需密度相对应的粉料高度；③将模具装入预先加热到一定温度的炉子中保温最短的时间，温度T和时间t具体关系是t＝(5-10)m/T，其中t-保温时间，单位为分钟；m-生坯质量，单位为克；T-为加热炉温度，单位为K；(3)燃烧合成采用自蔓延高温合成法中的蔓延燃烧或同步燃烧中的其中一种燃烧方法点燃生坯，引发反应，形成自我维持的燃烧波，反应在整个坯体中扩展蔓延即可合成；当采用蔓延燃烧时，要求将坯体置于反应腔或者空气中，自一端点火，自我维持燃烧温度为1200-1600℃，燃烧波蔓延速度为1-6mm/s；当采用同步燃烧时，要求将坯体置于加热炉中，均匀加热至700-900℃，燃烧反应在整个坯体中同时发生，一旦反应结束，立即将坯体从加热炉中取出。
3.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征在于制备催化剂载体中的用途。
4.、如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征在于制备柴油机尾气排放微粒捕集器中的用途。
5.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在液体净化过滤中的应用。
6.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在固体颗粒分离回收中的应用。
7.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在极端高温环境发散冷却中的应用。
8.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在阻燃防爆中的应用。
9.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在气流的分布控制、气浮传输和气样采集中的应用。
10.如权利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在强化传质传热中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种多孔玻璃陶瓷、制备方法及其用途，它是利用自蔓延高温合成法合成在Al
文档编号C04B35/04GK101062836SQ20071001331
公开日2007年10月31日 申请日期2007年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者崔洪芝 申请人:山东科技大学