一种孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料技术领域，特别涉及一种孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，多孔陶瓷已被广泛应用于航天、冶金、化工、生物、环保以及能源等领域，如高温隔热材料、催化剂载体、金属过滤器、多孔电极以及热交换器等。多孔陶瓷中气孔分为开口气孔和闭口气孔，开口气孔是指气孔可与外界连通，且孔与孔之间也相互贯通；而闭口气孔则存在于陶瓷内部，不与外界连通，且孔与孔之间相互分离而独立存在。一般而言，具有闭口气孔结构的多孔陶瓷，其高温隔热性能大大优越于开口气孔结构的多孔陶瓷，尤其在航空航天和高温窑炉应用领域。
[0003]然而，目前的研宄都多集中于开口多孔陶瓷的制备，对于具有闭口气孔结构多孔陶瓷的研宄却较少。闭孔多孔陶瓷可采用发泡工艺的方法制备，然而，与闭孔结构金属材料的制备不同，由于陶瓷材料往往具有非常高的熔点，因此，无法采用将材料熔化后并发泡的方法制备，这就使得闭孔多孔陶瓷的制备显得尤其困难。申请号为201210484106.4的专利申请公开了一种闭孔结构的刚玉-镁铝尖晶石质耐火骨料及制备方法，利用氧化铝陶瓷具有高温超塑性的特点，通过在氧化铝原料中添加一定的氧化镁增塑剂和高温发泡剂，高温烧成制备闭孔结构的刚玉-镁铝尖晶石质耐火骨料，所发明的产品具有纯度高、闭口气孔含量多、隔热和抗热震性能优异等特点。然而其所制备的多孔陶瓷中闭口气孔孔径尺寸、分布不均匀，气孔与气孔之间存在相互贯通，这在一定程度上直接影响了最终产品的高温使用性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服目前闭孔Al2O3基陶瓷在制备过程中存在闭口气孔孔径尺寸、分布不均匀的劣势和缺点，提供一种孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的制备方法；通过将亚微米级Al2O3粉末、MgAl 204粉末与包覆Al 203涂层的SiC颗粒混合，然后球磨再烧结，烧结过程中碳化硅发生反应生成气体，获得具有闭口气孔率高的、高温隔热性能和抗热震性能好的闭孔陶瓷，且孔径的尺寸和分布可控。
[0005]本发明的方法按以下步骤进行:
1、准备亚微米级Al2O3粉末和亚微米级MgAl204粉末，其中亚微米级Al 203粉末占全部物料总重量的80~99% ；
2、准备表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒，表面包覆Al203涂层的SiC颗粒占亚微米级Al2O3粉末和亚微米级MgAl 204粉末总重量的0.1-5% ；
3、将亚微米级Al2O3粉末、亚微米级MgAl204粉末和表面包覆Al 203涂层的SiC颗粒球磨混合均匀，然后压制成型，获得坯体；
4、将坯体以阶梯二段式升温制度升温至1600±10°C，烧结1~8小时，获得孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷。
[0006]上述的亚微米级Al2O3粉末的粒径< I μ m，亚微米级MgAl 204粉末的粒径< I μ m。
[0007]上述的表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒的平均粒径在0.05-10 μ m ；A1 203涂层的平均厚度在0.01~1μπι。
[0008]上述方法中，压制成型的压力为100~300MPa。
[0009]上述方法中，以阶梯二段式升温制度升温至1600±10°C是指:先以20°C/min的速率快速升温至1300±10°C保温0.5~1小时，随后以5°C /min的速率升温至1600±10°C。
[0010]上述的表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒是采用溶胶凝胶法制备。
[0011]上述方法获得的孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的闭口气孔率为5~30%，体积密度为 2.53—3.58g/cm3。
[0012]上述方法获得的孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的闭口气孔的平均孔径尺寸为I?50 μ m0
[0013]本发明利用细晶Al2O3基陶瓷具有高温结构超塑性的特点，通过在陶瓷坯体中预先添加一定量的表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒为高温发泡剂，使其在高温下反应产生气体而形成闭口气孔，从而制备出闭孔Al2O3基多孔陶瓷。其中表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒采用溶胶凝胶法制备，通过多次反复涂覆，保证其涂层厚度在0.0l-1ym0
[0014]本发明以表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒为发泡剂的目的在于实现闭口气孔孔径的可控化，由于预先对SiC颗粒进行了表面包覆Al2O3涂层，在烧结过程中，当两个甚至于多个SiC颗粒即使在坯体中发生了聚集，则其表面Al2O3涂层将以气孔内壁的形式存在，从而起到阻止气孔间相互贯通的作用，实现闭口气孔孔径尺寸的均匀化，涂层后SiC颗粒在陶瓷中形成闭口气孔的演变过程如图1所示；如果采用未涂层的SiC颗粒为发泡剂，一旦SiC颗粒发生聚集，将形成较大的气孔或者贯通气孔，导致闭孔孔径不均匀。
[0015]此外，为使Al2O3基陶瓷具有更优异的高温结构超塑性，本发明以MgAl2O4粉末为高温增塑剂，起到抑制Al2O3晶粒生长的目的；同时，坯体在室温升至1600°C的过程中，由于此时陶瓷并未烧结致密化，不能将SiC颗粒封闭于陶瓷材料中，导致分散于坯体各部位的SiC将与外界氧气反应而被不同程度的氧化，即SiC在1600°C下高温反应产生气体形成的气孔孔径将不均匀；因此，为避免SiC在升温的过程中预先被氧化，本发明采用阶梯二段升温制度；首先快速升温至1300±10°C保温，由于采用的Al2O3原料粉末为亚微米级，可实现快速低温烧结而接近致密化，并且SiC表面包覆了 Al2O3涂层，在此升温和保温过程中可保证SiC颗粒不被氧化；随后以慢速升温至1600±10°C保温，使SiC在高温下发生反应生成气体，从而制备出孔径可控的闭孔Al2O3基陶瓷；在控制了闭孔孔径均匀的基础上，至于控制闭孔孔径大小，则可通过调整SiC颗粒的粒度和Al2O3基陶瓷的超塑性来实现。
[0016]通过本发明，可有效克服目前制备闭孔陶瓷中闭口气孔孔径不可控的不足，提高闭孔多孔陶瓷的高温隔热性能和抗热震性能，扩大其应用领域和范围。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的方法中，涂层后SiC颗粒在陶瓷中形成闭口气孔的演变过程示意图；
图2为本发明实施例1的产品的断口抛光面的扫描电镜照片图。
【具体实施方式】
[0018]本发明实施例中采用的扫描电镜为德国卡尔蔡司EVO-18型钨灯丝系列扫描电镜。
[0019]本发明实施例中采用的亚微米级Al2O3粉末和亚微米级MgAl 204粉末为市购产品；亚微米级Al2O3粉末的粒径< I μ m，亚微米级MgAl 204粉末的粒径< I μπι。
[0020]本发明实施例中采用的表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒是采用溶胶凝胶法制备，其中涂层原料和SiC颗粒为市购。
[0021]本发明实施例中压制成型采用的设备为液压万能试验机。
[0022]本发明实施例中测试体积密度采用阿基米德法，闭口气孔率通过计算获得。
[0023]本发明实施例中测试闭孔孔径尺寸采用扫描电镜下统计32个视场下气孔的平均孔径尺寸。
[0024]实施例1
准备亚微米级Al2O3粉末和亚微米级MgAl 204粉末，其中亚微米级Al 203粉末占全部物料总重量的99% ；
准备表面包覆Al2O3涂层的SiC颗粒，表面包覆Al 203涂层的SiC颗粒占亚微米级Al 203粉末和亚微米级MgAl2O4粉末总重量的0.1% ;其中表面包覆Al 203涂层的SiC颗粒的平均粒径在0.05 μm，Al2O3涂层的平均厚度在0.01 μπι ;
将亚微米级Al2O3粉末、亚微米级MgAl 204粉末和表面包覆