一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及碳化硅多孔陶瓷制备方法技术领域，具体的说是一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国在工艺大国方面地位升高，氧化铝年产量逐渐增加，再加上铝土矿品位的下降，赤泥的年排放量迅猛增长，据不完全统计，赤泥的累计堆存量已达2亿吨。一方面，因其高碱性和氟、铝有害物质破坏了附近土壤的生态平衡，干扰了植物的正常生长；另一方面，赤泥颗粒细小，干燥后在空气中成为悬浮物，污染环境。赤泥的处置已经成为铝工业可持续发展中的严重问题，也是全球的热点话题之一。赤泥中富含氧化钙、氧化铝和二氧化硅，与硅酸盐陶瓷成份相近，因此，利用赤泥生产陶瓷材料成为高效处置赤泥的主流方向。

碳化硅陶瓷具有稳定性好、热膨胀系数低和优良的力学性能等优点，广泛应用在高温气体净化器、汽车尾气过滤器和传感器等各个领域，但是碳化硅烧结温度超过2000℃，碳化硅陶瓷的烧成温度过高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法，本发明以赤泥和碳化硅为主要原料，利用莫来石的热膨胀系数与碳化硅接近，在碳化硅多孔陶瓷制备中通过生成莫来石粘结相，降低碳化硅陶瓷的烧成温度，同时改善物理性能和力学性能。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥20-25%、碳化硅55-60%、氟化铝4-5%、石墨12-18%、高岭土5-10%和羧甲基纤维素水溶液2-3%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为1-3%。

如上所述的一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、按照如上所述的重量百分比分别称取赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨、高岭土和羧甲基纤维素水溶液，备用；

步骤2、将步骤1称取的赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨和高岭土在130-170℃温度条件下烘烤2-6h，之后分别球磨6-10h，至球磨粒度在200目以下，得球磨后的原料，备用；

步骤3、将步骤2球磨后的原料混匀，得混合物，备用；

步骤4、将步骤3的混合物中加入步骤1称取的羧甲基纤维素水溶液，之后，在23-27mpa压力下模压成型，制得生坯料，备用；

步骤5、将步骤4制得的生坯料在140-160℃温度条件下烘烤3-5h，之后通过温度调控进行烧结，所述温度调控包括两次升温阶段和一次降温阶段，第一次升温阶段在空气气氛下使温度从20℃逐渐升至1050℃，第二次升温阶段在氢气气氛下使温度从1050℃逐渐升至1400℃，降温阶段使温度从1400℃降至250-400℃，制得陶瓷制品。

作为一种优选方案，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥20%、碳化硅55%、氟化铝4%、石墨14%、高岭土5%和羧甲基纤维素水溶液2%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为2%。

作为一种优选方案，所述赤泥由以下重量百分比的原料组成：cao12-15%、al2o318-23%、sio225-32%、fe2o320-23%、k2o2-5%和na2o3-8%。

作为一种优选方案，所述高岭土由以下重量百分比的原料组成：cao1-3%、al2o335-40%、sio245-50%、fe2o31-3%、k2o1-3%和na2o0.5-1%。

作为一种优选方案，步骤3采用三维立体混料机进行混匀，混合时间为10-15h。

作为一种优选方案，步骤5所述温度调控具体如下：

（1）第一次升温阶段：在空气气氛下以3℃/min的升温速度，将温度从20℃升温至650℃，达到650℃之后保持恒温1h；之后在空气气氛下以2.5℃/min的升温速度，将温度从650℃升温至1050℃，达到1050℃之后保持恒温1h；

（2）第二次升温阶段：在氢气气氛下以2℃/min的升温速度，将温度从1050℃升温至1400℃，达到1400℃之后保持恒温3h；

（3）降温阶段：在1400℃温度下保持恒温3h之后，以0.8℃/min的降温速度，将温度从1400℃降温至900℃；之后自然降温，将温度从900℃降至250-400℃时出炉。

作为一种优选方案，从650℃升温至1050℃，开始生成莫来石。

作为一种优选方案，步骤5采用管式炉进行温度调控。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法，以氧化铝工业废弃物赤泥和碳化硅为主要原料，以氟化铝为催化剂，加速了高岭土、赤泥中氧化铝和二氧化硅原位合成莫来石的反应，将原位合成莫来石的反应温度降低了200℃左右，莫来石起到了粘结相作用，比纯碳化硅烧结温度降低了600℃左右，实现了多孔陶瓷的低碳生产，节约了能源，此外，莫来石又可提高多孔陶瓷的物理性能和力学性能；

（2）本发明提供了一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法，原料易得，替代了较为昂贵的高岭土，可减轻我国陶瓷产品对高岭土的依赖，大大降低了多孔陶瓷的生产成本。本发明第一次升温阶段，在空气气氛下升温，完成了碳化硅预氧化为二氧化硅并生成了气孔；第二次升温阶段，在氢气气氛下升温，提高了陶瓷的致密性，再加上莫来石改善了多孔陶瓷的物理性能和力学性能，所得多孔陶瓷产品，抗弯强度可达到61.3mpa，气孔率达到31.4%，可用于高温烟尘的过滤器和高温催化剂载体。

附图说明

图1为采用本发明实施例一的制备方法制得的多孔陶瓷成品的微观图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥20-25%、碳化硅55-60%、氟化铝4-5%、石墨12-18%、高岭土5-10%和羧甲基纤维素水溶液2-3%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为1-3%。

如上所述的一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、按照如上所述的重量百分比分别称取赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨、高岭土和羧甲基纤维素水溶液，备用；

步骤2、将步骤1称取的赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨和高岭土在130-170℃温度条件下烘烤2-6h，之后分别球磨6-10h，至球磨粒度在200目以下，得球磨后的原料，备用；

步骤3、将步骤2球磨后的原料采用三维立体混料机混匀，混合时间为10-15h，得混合物，备用；

步骤4、将步骤3的混合物中加入步骤1称取的羧甲基纤维素水溶液，之后，在23-27mpa压力下模压成型，制得生坯料，备用；

步骤5、将步骤4制得的生坯料在140-160℃温度条件下烘烤3-5h，之后通过温度调控进行烧结，所述温度调控为将烘烤后的生坯料放入管式炉内按下列程序进行温度调控：

（1）第一次升温阶段：在空气气氛下以3℃/min的升温速度，将温度从20℃升温至650℃，达到650℃之后保持恒温1h；之后在空气气氛下以2.5℃/min的升温速度，将温度从650℃升温至1050℃，达到1050℃之后保持恒温1h；将温度从650℃升温至1050℃起，开始生成莫来石；

（2）第二次升温阶段：在氢气气氛下以2℃/min的升温速度，将温度从1050℃升温至1400℃，达到1400℃之后保持恒温3h，此阶段仍有莫来石生成；

（3）降温阶段：在1400℃温度下保持恒温3h之后，以0.8℃/min的降温速度，将温度从1400℃降温至900℃；之后自然降温，将温度从900℃降至250-400℃时出炉。

作为一种优选方案，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥20%、碳化硅55%、氟化铝4%、石墨14%、高岭土5%和羧甲基纤维素水溶液2%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为2%。

作为一种优选方案，所述赤泥由以下重量百分比的原料组成：cao12-15%、al2o318-23%、sio225-32%、fe2o320-23%、k2o2-5%和na2o3-8%。

作为一种优选方案，所述高岭土由以下重量百分比的原料组成：cao1-3%、al2o335-40%、sio245-50%、fe2o31-3%、k2o1-3%和na2o0.5-1%。

实施例一

一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥21%、碳化硅55%、氟化铝4%、石墨13%、高岭土5%和羧甲基纤维素水溶液2%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为2%。

如上所述的一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、按照如上所述的重量百分比分别称取赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨、高岭土和羧甲基纤维素水溶液，备用；

步骤2、将步骤1称取的赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨和高岭土在150℃温度条件下烘烤4h，之后分别球磨8h，至球磨粒度在200目以下，得球磨后的原料，备用；

步骤3、将步骤2球磨后的原料采用三维立体混料机混匀，混合时间为12h，得混合物，备用；

步骤4、将步骤3的混合物中加入步骤1称取的羧甲基纤维素水溶液，之后，在25mpa压力下模压成型，制得生坯料，备用；

步骤5、将步骤4制得的生坯料在150℃温度条件下烘烤4h，之后通过温度调控进行烧结，所述温度调控为将烘烤后的生坯料放入管式炉内按下列程序进行温度调控：

（1）第一次升温阶段：在空气气氛下以3℃/min的升温速度，将温度从20℃升温至650℃，达到650℃之后保持恒温1h；之后在空气气氛下以2.5℃/min的升温速度，将温度从650℃升温至1050℃，达到1050℃之后保持恒温1h；

（2）第二次升温阶段：在氢气气氛下以2℃/min的升温速度，将温度从1050℃升温至1400℃，达到1400℃之后保持恒温3h；

（3）降温阶段：在1400℃温度下保持恒温3h之后，以0.8℃/min的降温速度，将温度从1400℃降温至900℃；之后自然降温，将温度从900℃降至250-400℃时出炉，制得陶瓷制品。此时，制得的多孔陶瓷成品孔隙率为31.3%，抗弯强度为61.2mpa，图1为采用本发明实施例一的制备方法制得的多孔陶瓷成品的微观图片，由图1可知碳化硅多孔陶瓷产品孔隙在产品中均匀分布。

实施例二

一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥20%、碳化硅56%、氟化铝4%、石墨12%、高岭土5%和羧甲基纤维素水溶液3%；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为1%。

如上所述的一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、按照如上所述的重量百分比分别称取赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨、高岭土和羧甲基纤维素水溶液，备用；

步骤2、将步骤1称取的赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨和高岭土在130℃温度条件下烘烤2h，之后分别球磨6h，至球磨粒度在200目以下，得球磨后的原料，备用；

步骤3、将步骤2球磨后的原料采用三维立体混料机混匀，混合时间为10h，得混合物，备用；

步骤4、将步骤3的混合物中加入步骤1称取的羧甲基纤维素水溶液，之后，在23mpa压力下模压成型，制得生坯料，备用；

步骤5、将步骤4制得的生坯料在150℃温度条件下烘烤3h，之后通过温度调控进行烧结，所述温度调控为将烘烤后的生坯料放入管式炉内按下列程序进行温度调控：

（1）第一次升温阶段：在空气气氛下以3℃/min的升温速度，将温度从20℃升温至650℃，达到650℃之后保持恒温1h；之后在空气气氛下以2.5℃/min的升温速度，将温度从650℃升温至1050℃，达到1050℃之后保持恒温1h；

（2）第二次升温阶段：在氢气气氛下以2℃/min的升温速度，将温度从1050℃升温至1400℃，达到1400℃之后保持恒温3h；

（3）降温阶段：在1400℃温度下保持恒温3h之后，以0.8℃/min的降温速度，将温度从1400℃降温至900℃；之后自然降温，将温度从900℃降至250-400℃时出炉，制得陶瓷制品。此时，制得的多孔陶瓷成品孔隙率为31.4%，抗弯强度为61.1mpa。

实施例三

一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷，该多孔陶瓷由以下重量百分比的原料制成：赤泥21%、碳化硅55%、氟化铝5%、石墨12%、高岭土5%和2%的羧甲基纤维素水溶液；其中，所述羧甲基纤维素水溶液的浓度为2%。

如上所述的一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法具体包括如下步骤：

步骤1、按照如上所述的重量百分比分别称取赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨、高岭土和羧甲基纤维素水溶液，备用；

步骤2、将步骤1称取的赤泥、碳化硅、氟化铝、石墨和高岭土在170℃温度条件下烘烤6h，之后分别球磨10h，至球磨粒度在200目以下，得球磨后的原料，备用；

步骤3、将步骤2球磨后的原料采用三维立体混料机混匀，混合时间为15h，得混合物，备用；

步骤4、将步骤3的混合物中加入步骤1称取的羧甲基纤维素水溶液，之后，在27mpa压力下模压成型，制得生坯料，备用；

步骤5、将步骤4制得的生坯料在160℃温度条件下烘烤5h，之后通过温度调控进行烧结，所述温度调控为将烘烤后的生坯料放入管式炉内按下列程序进行温度调控：

（1）第一次升温阶段：在空气气氛下以3℃/min的升温速度，将温度从20℃升温至650℃，达到650℃之后保持恒温1h；之后在空气气氛下以2.5℃/min的升温速度，将温度从650℃升温至1050℃，达到1050℃之后保持恒温1h；

（2）第二次升温阶段：在氢气气氛下以2℃/min的升温速度，将温度从1050℃升温至1400℃，达到1400℃之后保持恒温3h；

（3）降温阶段：在1400℃温度下保持恒温3h之后，以0.8℃/min的降温速度，将温度从1400℃降温至900℃；之后自然降温，将温度从900℃降至250-400℃时出炉，制得陶瓷制品。此时，制得的多孔陶瓷成品孔隙率为31.3%，抗弯强度为61.2mpa。

本发明以氧化铝工业废弃物赤泥和碳化硅为主要原料，以氟化铝为催化剂，加速了高岭土、赤泥中氧化铝和二氧化硅原位合成莫来石的反应，将原位合成莫来石的反应温度降低了200℃左右，莫来石起到了粘结相作用，比纯碳化硅烧结温度降低了600℃左右，实现了多孔陶瓷的低碳生产，节约了能源，本发明第一次升温阶段，在空气气氛下升温，完成了碳化硅预氧化为二氧化硅并生成了气孔；第二次升温阶段，在氢气气氛下升温，提高了陶瓷的致密性，再加上莫来石又可提高多孔陶瓷的物理性能和力学性能。所得多孔陶瓷产品，抗弯强度可达到61.3mpa，气孔率达到31.4%，可用于高温烟尘的过滤器和高温催化剂载体。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例描述如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述技术内容作出的些许更动或修饰均为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。