一种立方相氧化锆纤维增强的氧化锆泡沫陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机耐火材料隔热技术领域，具体涉及一种立方相氧化锆纤维增强的氧化锆泡沫陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002]泡沫陶瓷一般可以分为两类，即开孔(网状)陶瓷及闭孔陶瓷，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷，其孔隙是相互连通的。如果存在着固体壁面，则称为闭孔陶瓷，其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。闭孔泡沫陶瓷由大量的、各自独立封闭的、内部呈负压的陶瓷气孔构成，该材料具有导热系数小、比热容低、抗热震性好、不透水等特点，具有保温、隔热、隔湿、隔音和可漂浮等多种功能。可广泛用作建筑材料、高温隔热材料和水上漂浮材料。因此，制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的泡沫陶瓷体，拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用，无疑是十分必要的。
[0003]闭孔泡沫陶瓷的配料中，含有一定数量的颗粒细小的发泡剂。这些发泡剂在高温下分解释放出气体，气体先成核再发泡长大成为宏观上的气泡。这些气泡整齐地排列，占据着泡沫瓷的大部分空间。闭孔泡沫陶瓷中闭口气孔能降低材料的放热效率，减少了热传递中的对流，从而使泡沫陶瓷具有热传导率低的优良特性，成为一种理想的隔热材料。
[0004]制备闭孔泡沫陶瓷的方法主要有两种:一是添加造孔剂，二是添加发泡剂。其中发泡法可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷，以满足一些特殊场合的应用需要，主要原理是在陶瓷组分中加入有机或无机化学物质，通过化学反应等产生挥发气体，干燥后烧制成多孔陶瓷体。用作发泡的化学物质主要有:碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水；由亲水性聚氨酯塑料和陶瓷浆料同时发泡制作泡沫陶瓷；用硫化物和硫酸盐混合发泡剂等发泡剂法制备的闭孔泡沫陶瓷气孔率较高，可制备出各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷。但是在制备过程中各个工艺参数难以控制，产品一致性较差。拟定采用石膏做发泡剂制备氧化锆闭孔泡沫陶瓷。
[0005]纤维增强陶瓷基复合材料所用的纤维一般可以分成如下两种:连续纤维和短纤维，纤维增强陶瓷基复合材料的原理有许多。如高强度、高模量的纤维承受载荷，基体材料相当于一个传递和分散载荷的媒介；纤维与基件材料构成有机整体共同承担外加载荷的作用。其中，基体材料将复合材料所受外加载荷通过一定的方式传递给增强纤维并为复合材料提供韧性和塑性，而增强纤维则承担大部分外力，是复合材料中主要的承载单元；在纤维增强复合材料中，纤维承受绝大部分外加载荷，而基体材料只是将外力传递给纤维，并保持一定的韧性和塑性。
[0006]氧化锆泡沫陶瓷是一种采用高温焙烧自然熔融发泡制备而成的新型无机保温材料，主要具备如下特点:
[0007]I)热传导率低。泡沫陶瓷导热系数为0.06W/(m*k)优于水泥基复合保温砂浆，用作外墙外保温系统的隔热保温材料，可节能50%以上；
[0008]2)不燃、防火。泡沫陶瓷保温板是经1200°C左右的高温焙烧而成，制作过程中已经受了高温检验，燃烧性能达到A级。可用于有防火要求的外保温系统及防火隔离带；
[0009]3)与水泥砂浆、混凝土等相容性好。泡沫陶瓷与水泥砂浆、混凝土的线膨胀系数相近，并且膨胀系数具有可设计性。热胀冷缩下不开裂、不变形、不收缩，能与水泥砂浆、混凝土、饰面砖等可靠粘结，与水泥砂浆的粘结强度可达0.2MPa以上；
[0010]4)吸水率低。泡沫陶瓷是高气孔率的闭孔陶瓷材料，体内不吸水，不会发生冻融破坏，不会吸水膨胀变形；
[0011]5)耐久性好。泡沫陶瓷所用原料全部为无机材料，耐老化，能与建筑物同寿命，是常规有机保温材料所不可比拟的；
[0012]6)耐候性好。在阳光暴晒、冷热剧变、风雨交加等恶劣气候条件下不变形、不老化、不开裂，性能稳定。
[0013]但由于该类泡沫陶瓷的气孔存在，使得在使用时，其抗弯强度不高，相比于其他陶瓷材料，在使用性能上存在不足之处，使用时具有一定的局限性。因此，探索一种方法提高氧化锆泡沫陶瓷的抗弯强度是具有研宄价值的。
【发明内容】
[0014]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种立方相氧化锆纤维增强的氧化锆泡沫陶瓷及其制备方法。
[0015]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种氧化锆纤维增强的氧化锆闭孔泡沫陶瓷的制备方法，其制备方法制备方法具体包括如下:
[0016](I)制备立方相氧化锆短纤维
[0017]1.1)取适量碱式碳酸锆(ZrO2含量彡40% )溶于乙酸(10g锆粉用40ml乙酸溶解)和适量蒸馏水中，混合置于烧杯中进行反应，反应中产生大量C02，常温下静置2h，再加入一定量的醋酸钇(锆粉与醋酸钇的摩尔比为1:0.174，换算成ZrO#P Y2O3的摩尔比为92:8)再采用电动搅拌器搅拌3?4h，使所有物质溶解得到澄清的溶液；
[0018]1.2)将上述制成的澄清溶液减压加热浓缩，得到乙酸锆溶胶，实验中采用的加热温度为65?75°C恒温水浴，制得的溶胶粘度为20?30Pa.s ；
[0019]1.3)上述制成的乙酸锆溶胶，采用离心纺丝的方式得到前驱体凝胶纤维；
[0020]1.4)上述制成的凝胶纤维放入马弗炉中进行600°C中温煅烧，使纤维碳化完全，此时氧化锆连续纤维长度10?30cm ；
[0021]1.5)将上述制成的氧化锆连续纤维切碎后形成3?5mm短纤维。
[0022](2)制作坯体
[0023]2.1)按重量配比，立方相氧化锆短纤维含量10?30wt%，氧化锆粉末含量55?75wt%，硫酸钙含量8?12wt%，CMC含量0.5?1.0wt %，聚乙二醇含量0.3?0.5wt%，滑石粉含量2.0?3.0wt % ；
[0024]2.2)上述配制好的试剂，混合后放在球磨机中进行湿磨3?5小时，将上述湿磨后的混合试剂倒入研钵中加入适量蒸馏水后再次细磨，得到混合均匀的浆料；
[0025]2.3)将上述得到的浆料在电热鼓风干燥箱内烘干，再滴入少量的聚乙二醇溶液做粘结剂、造粒，倒入模具中成型，放入烘箱中80°C继续干燥4小时，取出坯体；
[0026](3)高温热处理
[0027]上述制成的坯体，先放入中温炉中轻烧处理，轻烧温度500?800 °C，处理时间2?3小时；轻烧处理后，再于1500?1700°C高温热处理2?4小时，此时有机物挥发完全；
[0028](4)机加工处理
[0029]上述制得的陶瓷坯体，经机加工处理，得到一定形状和尺寸，满足一定使用要求的氧化锆纤维增强的氧化锆泡沫陶瓷。
[0030]进一步地，所述步骤3)中制备立方相氧化锆纤维的轻烧处理步骤如下:将凝胶纤维放入马弗炉中，以2°C /min的升温速率从100°C升温至600°C，并保温0.5h。目的是促使纤维热解所产生的挥发性气体缓慢从纤维中逸出，使纤维表面保持光滑、不会产生气孔、微裂纹等缺陷，同时亦保证氧化锆纤维完全碳化，变黑。
[0031]进一步地，所述步骤3)中制备泡沫陶瓷的热处理步骤如下:将泡沫陶瓷干坯放入马弗炉中，以3°C /min的升温速率从100°C升温至800°C，并保温lh，再以5°C /min的升温速率从800°C升温至1600°C，并保温2h。目的是在低温阶段有机物所产生的挥发性气体缓慢从陶瓷基体中逸出，形成泡沫状结构。同时使陶瓷基体不会因内应力过大而产生微裂纹等缺陷，保证了泡沫陶瓷的强度。
[0032]进一步地，所述1.3)具体步骤为:将制备好的前驱体溶胶放置于纺丝罐中，调节电机转速，转速为7000?10000r/min，在离心力作用下，溶胶从纺丝罐壁周边的小孔中离心甩出，同时用50?70°C热风从上而下烘干，甩出的溶胶在热风的喷吹下干燥、固化转变为凝胶纤维，凝胶纤维直径15?20 μπι。
[0033]上述的立方相氧化锆纤维增强的氧化锆泡沫陶瓷制备方法制备得到的氧化锆泡沫陶瓷，其制备原料按质量