专利名称：孔内带有晶须或棒晶的多孔材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种多孔材料及其制备エ艺，尤其是ー种孔内带有晶须或棒晶的Ti2AlO5基多孔复合材料及其制备方法，属于材料合成与加工领域。
背景技术：
当今，減少汽车尾气排放保护环境是全球范围内关注的焦点。目前，对汽车尾气净化用的催化剂载体材料主要有陶瓷和金属两类。为了固定催化剂，通常在载体表面均匀地涂覆ー层高比表面积的Y-Al2O3涂层，然后再把贵金属活性催化剂成分附载在其表面上。对于金属载体，因为Y -Al2O3涂层与金属基体的热膨胀系数有较大的差异，易使涂层和催化剂从载体上脱落，从而失去催化浄化效果。而对于陶瓷载体，得到广泛应用的是堇青石和碳化硅陶瓷载体材料，其结构是蜂窝状，称为蜂窝陶瓷载体。因为堇青石载体材料的热导率 低、強度不足，导致汽车冷启动时催化剂起燃慢，且汽车行驶颠簸时容易破碎。碳化硅载体材料尽管热导率高，強度高，耐高温性好，但线涨系数大，耐热冲击性差。加之目前催化剂载体的制备エ艺，使得催化剂载体的壁面均为光滑平直的，不利于催化剂的负载。因此，目前在用的催化剂载体从材料自身的性能到载体的制备エ艺，都难以满足日益严苛的汽车尾气排放技术要求，开发性能优异的载体材料及孔型理想的制备エ艺具有重要意义。钛酸铝(Al2TiO5)材料是集低膨胀系数和高熔点为一体的陶瓷材料，且具有抗渣、耐蚀、耐碱和对多种金属及玻璃的不浸润的特点，被广泛应用于抗热震、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、抗碱等条件苛刻的环境，特别是要求高抗热震的场合。中国专利CN200780045679. 4发明了ー种Al2TiO5质蜂窝状陶瓷的制造方法，此方法是以TiO2和Al2O3粉末为原料制成坯体后进行烧结，得到直通孔的Al2TiO5质蜂窝陶瓷载体。日本专利2005-519834和W02005/018776，公开了通过调整TiO2和Al2O3粉末的配比、加入添加剂等，抑制Al2TiO5的热分解，提高抗压强度的技木。中国专利公开号CN101607830A公开了ー种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法，它直接以a -Al2O3和钛黄粉为原料采用反应烧结法合成钛酸铝，并在配合料中加入防止钛酸铝分解的稳定剂和起增强作用的莫来石纤维，提高了材料的強度。中国专利申请号200980115069. 6发明了ー种钛酸铝自身为多孔质的新型多孔质钛酸铝，该方法通过多孔质钛酸铝粉体本身烧结，从而形成更加多孔质的钛酸铝烧结体。中国专利申请号200910180843. 3发明了ー种氮化铝/碳化硅/钛酸铝多孔陶瓷及其制备方法，采用氮化铝、碳化硅、钛酸铝为原料，通过添加石蜡，制备了孔隙率60-80%的多孔陶瓷，提高了材料的隔热能力。中国专利申请号200810136970. 9公布了ー种氧化铝/钛酸铝多孔陶瓷及其制备方法，此方法通过采用纳米级氧化铝、氧化钛粉体原料烧结得到多孔氧化铝/钛酸铝复合多孔陶瓷材料。上述专利虽然通过不同方法合成Ti2AlO5多孔材料，并制成了不同孔型的多孔材料。但纯粹的Al2TiO5陶瓷材料壁面相对光滑，很难满足汽车尾气净化器载体在负载催化剂时要求高的比表面积及良好的催化转化效果的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种孔内带有纳米级晶须或棒晶的Al2TiO5基多孔复合材料以及具有这种孔结构的复合材料的制备方法，这种复合材料内部的孔洞壁面上长有径向尺寸为 纳米级的TiAl和Al2O3晶须或棒晶，有利于催化剂涂层与孔壁的结合，更能提高孔洞的比表面积，有利于用于催化剂载体时的催化和转化。本发明的技术方案为ー种孔内带有晶须或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3为原料、以尿素为造孔剂烧结Ti2AlO5多孔材料，随后该多孔材料高温下浸入纯Al熔体中，最終形成的在孔洞壁面长有Al2O3和TiAl晶须或者棒晶的多孔材料。优选的是，所述的晶须或者棒晶的长度为O. 2 2. Omm,多孔材料的孔径2. 2 3. 3mm，孔隙率为53. 3 75. 8%，抗压强度为4. 4 8. 5Mpa。所述的孔内带有晶须或棒晶的多孔材料的制备方法，包括以下步骤第一歩备好エ业纯的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔剂尿素颗粒以及Al锭，其中TiO2, Al2O3粉末粒度为200目，尿素粒径2 3mm ;第二步=Al2TiO5多孔材料烧结合成将Ti02、Al203粉末按照摩尔比TiO2 Al2O3 = I I (mol)称量，按照体积比50 80%，量取尿素颗粒，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在200Mpa压カ下压制成圆柱形压坯；再将压坯放进电阻炉中，加热到300°C保温I. 5小时，尿素颗粒完全挥发；将压坯放入电阻炉中，在1400 1500°C烧结3小时，烧结后取出样品空冷，获得大孔径Al2TiO5多孔材料；第三歩热浸镀铝将エ业纯Al锭放入Al2O3坩埚中，在氩气保护下加热到800°C，Al锭全部熔化，将大孔径的多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持5 10分钟，Al液体渗入多孔材料中，提取多孔材料后，在炉中随炉温下降至650°C，在孔壁上获得ー层厚度20 30 μ m的铝膜；第四步孔洞内Al2O3和TiAl晶须或者棒晶生长待炉温降至650°C，停止通氩气并打开炉门I分钟，使空气进入炉中，然后650°C加热、保温25 50分钟，部分Ti2AlO5分解生成TiO2和Al2O3, Al膜自身氧化同时又与TiO2反应生成Al2O3, Ti与Al反应生成耐高温氧化性能优异的TiAl相，在孔洞壁面原位生成Al2O3和TiAl的晶须或者棒晶。孔洞壁面的TiAl和Al2O3的棒状及晶须的反应生成原理如下Al2Ti05+Al+02 — Al2Ti05+TiAl+Al203本发明的有益效果为①以TiO2和Al2O3粉末为原料，以尿素为造孔剂，以纯Al锭为热浸镀原料，通过将烧结反应、热浸镀技术相结合，首先获得带有Al涂层的多孔Al2TiO5基体复合材料，再经高温氧化成为孔洞壁面带有Al2O3和TiAl晶须或者棒晶的多孔材料，成本低廉，エ艺简单；②本发明的多孔Al2TiO5基体复合材料，孔洞壁面原位生成的Al2O3和TiAl晶须或者棒晶，径向尺寸为50 lOOnm，长度为O. 2 2. O μ m，极大地提高了比表面积，用于催化剂载体时，有利于提高催化剂的分散和催化转化效果；③多孔Al2TiO5基体的复合材料由Al2TiO5和少量A1203、TiO2组成，孔洞为三维连通的开孔结构，孔径2. 2
3.3mm,并且通过调整造孔剂含量，可获得孔隙率为53. 3 75. 8 %，抗压强度为4. 4 8. 5Mpa的多孔材料，性能调节范围大，这种多孔材料可用作催化、环境净化中的载体和过滤体。
具体实施例方式实施例I本发明的多孔复合材料制备方法如下第一歩备好エ业纯的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔剂尿素颗粒以及Al锭，其中TiO2, Al2O3粉末粒度为200目，尿素粒径2 3mm。第二步=Al2TiO5多孔材料烧结合成将Ti02、Al203粉末按照摩尔比TiO2 Al2O3 = I I (mol)称量，按照体积比50%，量取尿素颗粒，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在200Mpa压カ下压制成圆柱形压坯；再将压坯放进电阻炉中，加热到300°C保温I. 5小时，尿素颗粒完全挥发；将压坯放入电阻炉中，在1400°C烧结3小时，烧结后取出样品空冷，获得大孔径Al2TiO5多孔材料。第三步热浸镀铝将エ业纯Al锭放入Al2O3坩埚中，在氩气保护下加热到800°C，A1锭全部熔化。将大孔径的多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持10分钟，Al液体渗入多孔材料中。提取多孔材料后，在炉中随炉温下降至650°C，在孔壁上获得ー层厚度30 μ m的铝膜。第四步孔洞内Al2O3和TiAl晶须或者棒晶生长待炉温降至650°C，停止通氩气并打开炉门I分钟，使空气进入炉中。然后650°C加热氧化、保温50分钟，部分Al2TiO5分解生成TiO2和Al2O3, Al膜自身氧化同时又与TiO2反应生成Al2O3, Ti与Al反应生成耐高温氧化性能优异的TiAl相。在孔洞壁面原位生成的Al2O3和TiAl径向尺寸约为IOOnm,长度为2. O μ m的棒晶，多孔材料的孔径2. 2 3. 3mm,孔隙率为53. 3%，抗压强度为8. 5Mpa。实施例2 与实施例I的不同之处是造孔剂尿素体积比为60%，多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持8分钟，铝膜厚度约25 μ m,加热氧化保温40分钟，孔洞内Al2O3和TiAl棒晶径向尺寸约为80nm，长约I. 5 μ m，多孔材料的孔径为2. 2 3. 3mm，孔隙率为68. 7%，抗压强度为6. 2Mpa。实施例3 与实施例I的不同之处是造孔剂尿素体积比为70%，压坯在1500°C烧结3小时，多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持8分钟，铝膜厚度约25 μ m,加热氧化保温25分钟，孔洞内Al2O3和TiAl晶须径向尺寸约为70nm，长约O. 8 μ m，多孔材料的孔径为2. 2 3. 3mm,孔隙率为71. 4%，抗压强度为5. 3Mpa。实施例4 与实施例3的不同之处是造孔剂尿素体积比为80%，多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持5分钟，铝膜厚度约20 μ m,加热氧化保温25分钟，孔洞内Al2O3和TiAl晶须径向尺寸约为50nm，长约O. 2 μ m，多孔材料的孔径为2. 2 3. 3mm,孔隙率为75. 8%，抗压强度为4. 4Mpa。权利要求
1.ー种孔内带有晶须或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3为原料、以尿素为造孔剂烧结Ti2AlO5多孔材料，其特征在于随后该多孔材料高温下浸入纯Al熔体中，最终形成的在孔洞壁面长有Al2O3和TiAl晶须或者棒晶的多孔材料。
2.如权利要求I所述的孔内带有晶须或棒晶的多孔材料，其特征在于所述的晶须或者棒晶的长度为O. 2 2. 0mm，多孔材料的孔径2. 2 3. 3mm，孔隙率为53. 3 75. 8%，抗压强度为4. 4 8. 5Mpa。
3.如权利要求I所述的孔内带有晶须或棒晶的多孔材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤 第一歩备好エ业纯的Ti02、Al2O3粉末原料、造孔剂尿素颗粒以及Al锭，其中Ti02、Al2O3粉末粒度为200目，尿素粒径2 3mm ; 第二步=Al2TiO5多孔材料烧结合成 将Ti02、Al203粉末按照摩尔比TiO2 Al2O3 = I I (mol)称量，按照体积比50 80%，量取尿素颗粒，均匀混合后装入模具中，采用模压成型方法，在200Mpa压カ下压制成圆柱形压坯；再将压坯放进电阻炉中，加热到300°C保温I. 5小时，尿素颗粒完全挥发；将压坯放入电阻炉中，在1400 1500°C烧结3小时，烧结后取出样品空冷，获得大孔径Al2TiO5多孔材料； 第三步热浸镀铝 将エ业纯Al锭放入Al2O3坩埚中，在氩气保护下加热到800°C，Al锭全部熔化，将大孔径的多孔Al2TiO5材料浸入纯Al熔体中，保持5 10分钟，Al液体渗入多孔材料中，提取多孔材料后，在炉中随炉温下降至650°C，在孔壁上获得ー层厚度20 30 μ m的铝膜； 第四步孔洞内Al2O3和TiAl晶须或者棒晶生长 待炉温降至650°C，停止通氩气并打开炉门I分钟，使空气进入炉中，然后650°C加热、保温25 50分钟，部分Ti2AlO5分解生成TiO2和Al2O3,Al膜自身氧化同时又与TiO2反应生成Al2O3, Ti与Al反应生成耐高温氧化性能优异的TiAl相，在孔洞壁面原位生成Al2O3和TiAl的晶须或者棒晶。
全文摘要
一种孔内带有晶须或棒晶的多孔材料，所述的多孔材料是以TiO2和Al2O3为原料、以尿素为造孔剂烧结Ti2AlO5多孔材料，随后该多孔材料高温下浸入纯Al熔体中，最终形成的在孔洞壁面长有Al2O3和TiAl晶须或者棒晶的多孔材料。本发明的多孔材料，成本低廉，工艺简单，有利于提高催化剂的分散和催化转化效果，性能调节范围大，这种多孔材料可用作催化、环境净化中的载体和过滤体。
文档编号C04B41/88GK102718541SQ20121003919
公开日2012年10月10日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者吴杰, 姜琳, 崔洪芝, 徐国刚, 曹丽丽 申请人:山东科技大学