一种焊接晶须制备莫来石多孔陶瓷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种晶须焊接工艺制备莫来石多孔陶瓷的方法，即用稀土氧化物或纳米二氧化硅焊接莫来石晶须来制备莫来石多孔陶瓷的方法，属于多孔陶瓷领域。
【背景技术】
[0002]由于具有较低的热传导系数和热膨胀系数、高的抗蠕变和热震稳定性、优良的电绝缘性、化学稳定性和高温强度等，莫来石多孔陶瓷在消音降噪、陶瓷燃烧器、熔融金属过滤和气固分离等材料领域表现出广阔的应用前景。江东亮等人(中国专利，专利公开号CN101037345)以白炭黑和氧化铝为主要原料，采用凝胶冷冻干燥法制备莫来石多孔陶瓷。袁磊等人(中国专利，专利公开号CN103833400)以含氧化铝和二氧化硅的矿物或固体废弃物，工业氧化铝为原料，外加淀粉和铵盐作为造孔剂在1400?160(TC烧结，制备得到自生纤维增强的莫来石多孔陶瓷。王慧等人(中国专利，专利公开号CN101012767)以磷酸、氢氧化铝和莫来石纤维为原料采用湿法成型，于1000?1300°C烧结得到高孔隙率的莫来石纤维多孔陶瓷；
聚乙烯醇PVA是一种水溶性聚合物，被广泛用作陶瓷粘结剂；PVA与人体有很好的生物相容性，与人体的软骨组织有极为相似的性质，将PVA水溶液反复冷冻后可得到PVA水凝胶，在生物材料领域有很好的应用前景。莫来石晶须增韧陶瓷效果显著，但是晶须在固相中很难分散且容易磨碎，在水中由于晶须密度大容易沉积，晶须的分散一直是个难题。本发明利用PVA水溶液来分散莫来石晶须，利用PVA水溶液较高的粘度和比水大的密度来减缓晶须沉降速度，再结合快速冷冻技术来解决晶须的分散问题。本发明中PVA除了作为分散介质，还起低温粘结剂和造孔剂的作用。
【发明内容】
[0003]针对上述技术现状，本发明的目的是利用晶须焊接的方法制备高孔隙率和孔径分布可控的莫来石多孔陶瓷，以满足消音降噪、陶瓷燃烧器、熔融金属过滤以及气固分离等材料领域的应用；
本发明制备莫来石多孔陶瓷的方法，包括陶瓷浆料的制备、浆料冷冻成型、冷冻干燥和坯体的烧结。本发明的核心是设计了由晶须焊接而成的三维空间网络状结构，并成功实现了这一结构设计，实现这个设计的关键是用PVA水溶液作为晶须的分散介质，用稀土氧化物或纳米二氧化硅来焊接晶须，另外PVA还起低温粘结剂和造孔剂的三重作用；
具体工艺:①将5?50wt%的莫来石晶须加入到I?10wt%的聚乙烯醇水溶液中，并加入I?10wt%的氧化镧或纳米二氧化硅作为高温粘结剂，然后在磁力搅拌器下均匀搅拌5?60min，再超声分散3?30min ;②把经过超声分散的浆料倒入模具中在-18?_190°C下冷冻成型，然后在-40?-60°C和I?1pa环境下冷冻干燥，得到聚乙烯醇和莫来石晶须复合坯体冻干后的复合坯体在空气气氛下以I?10°C /min的速率升温至600°C?800°C，保温O?5小时，除去其中的聚乙烯醇有机物；④除去有机物后的样品以3?7°C /min继续升温至1200?1500°C保温1?5小时烧结，然后随炉冷却，得到晶须在三维空间均匀焊接的莫来石多孔陶瓷；
如图2所示，本发明制备得到的多孔陶瓷主晶相为莫来石相；
使用本发明制备的莫来石和PVA复合坯体具有较高的强度和很好的韧性，可以任意成型；
使用本发明制备的莫来石多孔陶瓷的典型微观结构如附图2、附图3所示，多孔陶瓷孔隙率较高，且都为互相连通的开孔结构。其中图2是以氧化镧为高温粘结剂来焊接晶须；图3是以纳米二氧化娃(30nm)为高温粘结剂来焊接晶须；
综上所述，利用本发明制备莫来石多孔陶瓷的方法具有以下优点:
〔1〕利用PVA水溶液较大的粘度和密度，成功分散莫来石晶须；
〔2〕得到的生坯具有很好的强度和韧性，可以承受工业生产中的搬运、碰撞和摔打；〔3〕将浆料倒入模具中冷冻成型，可以改变模具的形状任意成型；
〔4〕冷冻温度在零摄氏度以下即可，可以利用自然天气条件冷冻，低碳环保；
〔5〕莫来石晶须在三维空间均匀焊接，得到的多孔陶瓷强度较高；
〔6〕通过向浆料中引入气泡，可以得到多级孔结构，有很好的应用前景；
〔7〕得到的多孔陶瓷孔径尺寸在数十微米级别，有利于声波的吸收(声波吸收的最佳孔径分布在20?150微米)，其他制备多孔陶瓷的方法，如加造孔剂模压的方法制备的孔径较小(几个微米或更小)，泡沫浸渍法制备的孔径则较大(几百微米)。
【附图说明】
[0004]图1为1450°C保温2h的莫来石晶须XRD图谱。横坐标为二倍衍射角，单位为度，纵坐标为衍射强度的相对值；
图2为以氧化镧为高温粘结剂，并于1450°C保温两小时烧结得到的莫来石多孔陶瓷的扫描电镜(SEM)形貌；
图3为以纳米二氧化硅(30nm)为高温粘结剂，并于1450°C保温两小时烧结得到的莫来石多孔陶瓷的扫描电镜(SEM)形貌。
【具体实施方式】
[0005]下面通过具体实施例进一步说明本发明的突出特点和显著的进步，但本发明并不局限于实施例；
实施例1:
向20ml，5wt%的PVA水溶液中加入23.6g莫来石晶须和0.29g氧化镧，将得到的混合物于常温下的磁力搅拌器下均勾搅拌lOmin，再常温超声分散3min后，煮沸浓缩至10ml得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料分批倒入圆柱体模具中(模具的底是纯铜的，壁是聚四氟乙烯材质)，再于-18°C低温环境冷冻lOmin后脱模。脱模后的样品继续冷冻2h，再移入冷冻干燥机中于1.0pa, _50°C环境下冷冻干燥24h脱去水分。脱去水分后的陶瓷生坯移至管式炉中，于空气气氛下以10°C /min升温至800°C，保温lh，再以7°C /min升温至1450°C保温2h烧结。得到的莫来石多孔陶瓷如附图2;
实施例2: 向20ml、5wt%的PVA水溶液中加入6g莫来石晶须和0.16g纳米二氧化硅，将得到的混合物于常温下的磁力搅拌器下均匀搅拌5min，再常温超声分散3min后，静置24h得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料分批倒入圆柱体模具中(模具的底是纯铜的，壁是聚四氟乙烯材质)，再于-18°C低温环境冷冻1min后脱模。脱模后的样品继续冷冻2h，再移入冷冻干燥机中于1.0pa, _50°C环境下冷冻干燥24h脱去水分。脱去水分后的陶瓷生坯移至管式炉中，于空气气氛下以10°C /min升温至800°C，保温lh，再以7°C /min升温至1450°C保温2h后烧结。得到的莫来石多孔陶瓷如附图3。
【主权项】
1.晶须焊接法制备莫来石多孔陶瓷的方法，其特征包括下述步骤: (1)将5?50wt%的莫来石晶须加入到I?10wt%的聚乙烯醇水溶液中，并加入I?10wt%的氧化镧或纳米二氧化娃作为高温粘结剂，然后于磁力搅拌器上均勾搅拌5?60min,再超声分散3?30min ； (2)把经过超声分散的浆料倒入模具中在-18?-190°C下冷冻成型，然后在-40?-60°C和I?1pa环境下冷冻干燥，得到聚乙烯醇和莫来石晶须的复合坯体； (3)冻干后的复合坯体在空气气氛下以I?10°C/min升温至600°C?800°C，保温O?5小时，除去其中的聚乙烯醇有机物； (4)除去有机物后的样品以3?7°C/min继续升温至1200?1500°C保温I?5小时后烧结，然后随炉冷却，得到晶须在三维空间均匀焊接的莫来石多孔陶瓷。2.按权利要求1所述制备得到的莫来石多孔陶瓷，其特征在于莫来石多孔陶瓷具有由莫来石晶须焊接成的三维空间网络状结构，高的孔隙率，孔径尺寸为I?100微米、显气孔率为50%?90%。3.按权利要求2所述的莫来石多孔陶瓷，其特征在于主晶相为莫来石相。4.按权利要求2或3所述的莫来石多孔陶瓷，其特征在于莫来石多孔陶瓷的抗弯强度为 2 ?30MPa。5.按权利要求2或3或4所述的莫来石多孔陶瓷用于消音降噪、陶瓷燃烧器、熔融金属过滤以及气固分离等材料领域。
【专利摘要】本发明涉及一种莫来石多孔陶瓷的制备方法，属于多孔陶瓷领域。本发明是将高温粘结剂及莫来石晶须加入到聚乙烯醇水溶液中，混合均匀后于模具中冷冻成型，然后冷冻干燥脱去水分，得到柔韧的坯体，坯体置于空气气氛中于1200～1500℃烧结，得到由晶须焊接成的三维空间网络状多孔陶瓷。多孔陶瓷的孔隙率为50%～90%，孔径2～100微米，三点抗弯强度2～30MPa。本发明应用于消音降噪、陶瓷燃烧器、熔融金属过滤以及气固分离等材料领域。
【IPC分类】C04B35/622, C04B35/185
【公开号】CN105110779
【申请号】CN201510000148
【发明人】陈拥军, 董雷, 曹利华
【申请人】海南大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年1月2日