一种钛酸钡泡沫陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛酸钡泡沫陶瓷及其制备方法，属于泡沫陶瓷技术领域。
【背景技术】
[0002]泡沫陶瓷(Foam Ceramic，FC)是一种经特殊工艺制作而成的具有三维立体网络骨架结构和贯通气孔的新型多孔陶瓷材料。比较成熟的泡沫陶瓷制备工艺有发泡工艺、添加造孔剂工艺及有机泡沫浸渍法等。其中，有机泡沫浸渍法具有工艺简单、可批量生产等优点。然而，该工艺大部分采用微米或是更大尺寸的陶瓷原料以及无机助剂制备陶瓷浆料，因此常常需要进行长时间的研磨以得到分散均匀、流动性良好的浆料。
[0003]鉴于泡沫陶瓷所具有的高化学稳定性、高强度、耐高温、抗热震、低密度、高气孔率、大比表面积等诸多优点，因此其广泛应用于制备汽车尾气装置、节能隔热材料、工业污水处理、化学催化剂载体、生物材料等。值得注意，现有的泡沫陶瓷材料基本上为终端产品，直接应用，尚未用于制备高介电常数树脂基复合材料。
[0004]目前，泡沫陶瓷主要有碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)和氮化硅(Si3N4)。它们的介电常数都较小(一般小于12)，不能满足高介电材料的性能要求。同时，现有的泡沫陶瓷材料的强度较低，因此为了提高其强度，往往在制备过程中添加大量的无机助剂，难于得到化学组成单一的纯净泡沫陶瓷。如“氧化铝质泡沫陶瓷过滤器”(CN 101164658)的中国发明专利，公开了一种以氧化铝为主要成分所制备的一种适合于铝、铝合金及铜过滤净化的氧化铝质泡沫陶瓷过滤器。该泡沫陶瓷在制备过程中加入了二氧化硅、滑石、高岭土为烧结助剂，得到的是一种含有其他杂质的氧化铝质泡沫陶瓷。又如“氮化硅质泡沫陶瓷及其制备方法”(CN 102093076A)的中国发明专利，公开了一种以氮化硅为主要成分，以氧化钇、氧化铝以及二氧化硅为烧结助剂，采用有机泡沫浸渍法制备的一种氮化硅质泡沫陶瓷。众所周知，在众多的材料性能之中，介电性能是对结构变化最为敏感的性能之一。因此，杂质的存在将不利于保持原有介电陶瓷的优异介电性能。
[0005]钛酸钡陶瓷具有优异的机械强度、高介电常数、低介电损耗及铁电、压电及正温度系数效应等优异的电学性能，是制备高介电、铁电、压电等材料的理想材料。迄今，关于钛酸钡泡沫陶瓷及其制备方法尚未见诸报道。鉴于钛酸钡陶瓷的性能优势及其主要应用领域，化学组成单一的纯净钛酸钡泡沫陶瓷才能发挥其性能优势，满足应用要求。显然，这将导致出现强度低的问题。因此，如何制备具有高强度且化学组成单一的纯净钛酸钡泡沫陶瓷是摆在研究者面前的一个富有挑战性意义的课题。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有高强度、高介电常数骨架、且化学组成单一的纯净钛酸钡泡沫陶瓷及其制备方法。
[0007]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种钛酸钡泡沫陶瓷的制备方法，包含如下步骤: (1)按质量计，将100份纳米钛酸钡与30?120份浓度为I?15wt%的有机粘结剂水溶液充分研磨，得到浆料A;在浆料A中加入10?80份浓度为0.5?3wt%的有机流变剂水溶液，充分研磨后得到浆料B;在浆料B中加入20?80份浓度为0.5?3wt%的有机分散剂水溶液，充分研磨后得到浆料C;
(2)将规格为15?35PPI的聚合物海绵浸渍在浓度为5?20wt%的氢氧化钠水溶液中，升温至50?75°C并保温2?6h后，取出聚合物海绵，用去离子水洗涤、甩干，得到聚合物海绵D;在常温下，将聚合物海绵D浸渍在浓度为0.5?3的％的表面活性剂水溶液中，停留2?6h后，取出甩干，在温度40?80°C的条件下干燥，得到预处理的聚合物海绵E;
(3)将预处理的聚合物海绵E浸渍在步骤(I)制得的浆料C中，在常温下放置I?1min进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为40?80°C的条件下进行干燥处理;依次重复挂浆、干燥处理I?7次，得到钛酸钡泡沫陶瓷生坯；
(4)将步骤(3)制得的钛酸钡泡沫陶瓷生坯以0.5?5°C/min的速率由室温升温至100?300°C，再以0.5?5°C/min的速率升温至500?700°C，在温度为500?700°C的条件下保温0.5?211后，以2?10°(3/1^11的速率升温至1000?1500°(3，在温度为1000?1500°(3的条件下保温I?5h后，随炉冷却至室温，得到一种钛酸钡泡沫陶瓷。
[0008]本发明所述聚合物海绵的聚合物材质为聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的任意一种。
[0009]所述的纳米钛酸钡的平均粒径< lOOnm。
[0010]所述的有机粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、甲基纤维素中的一种，或它们的任意组合。
[0011]所述的有机流变剂为羧甲基纤维素、羟己基纤维素中的一种，或它们的任意组合。
[0012]所述的有机分散剂为聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸胺中的一种，或它们的任意组合。
[0013]所述的表面活性剂为羧甲基纤维素、聚乙烯亚胺中的一种，或它们的任意组合。
[0014]本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的钛酸钡泡沫陶瓷。
[0015]本发明采用纳米钛酸钡作为浆料的无机陶瓷成分，充分利用了材料的纳米效应，所制得的钛酸钡泡沫陶瓷具有高强度，其原理具体而言:首先，纳米级陶瓷晶粒缺陷多、比表面积大，因此烧结活性大，制成的陶瓷强度高;其次，纳米级晶粒还能妨碍微裂纹的发展，不易造成穿晶断裂，有利于提高断裂韧性、耐磨性和强度;第三，纳米级颗粒能形成分散均匀的浆料，坯体致密，也不易造成堵孔。特别是，为制得化学组成单一的纯净泡沫陶瓷，本发明采用有机助剂;而有机助剂高温分解后产生的是小孔，因此采用纳米钛酸钡能提高泡沫陶瓷骨架的致密性;第四，纳米颗粒可以使烧结体的密度提高。
[0016]同时，本发明选用具有高介电常数的纳米钛酸钡作为原料，其他有机助剂在烧结过程中分解，而钛酸钡进一步瓷化，表现出更高的介电常数，因此，得的钛酸钡泡沫陶瓷是一种具有高介电常数的骨架。
[0017]与现有技术相比，本发明取得的有益效果是:
1、本发明所制备的钛酸钡泡沫陶瓷是一种具有化学组成单一的纯净钛酸钡骨架的泡沫陶瓷，这是因为在制备过程中没有添加或者“就地”生成其他无机材料，而是采用有机助剂，其在高温烧结过程中分解，从而得到一种高强度、高介电常数骨架、且具有化学组成单一的纯净钛酸钡泡沫陶瓷。
[0018]2、不同于现有技术中的浆料以微米级陶瓷原料及无机助剂为组成，本发明采用纳米钛酸钡作为浆料的无机陶瓷成分且使用有机助剂。因此，本发明不需要使用球磨机进行长时间研磨，而只需通过简单的研磨即可得到分散均匀、流动性良好的浆料，具有高效率、节能的优点。
[0019]3、本发明所制备的钛酸钡泡沫陶瓷集成了钛酸钡优异的介电性能以及泡沫陶瓷高孔隙率、低比重的特点，为钛酸钡泡沫陶瓷的进一步改性与应用、新型介电泡沫陶瓷的研发、钛酸钡泡沫陶瓷/聚合物复合材料高性能化等方面提供巨大的应用前景。
[0020]4、本发明提供的钛酸钡泡沫陶瓷的制备方法具有工艺简单、适用性广等特点，适合于工业化生产。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例1制备的聚氨酯海绵E、钛酸钡泡沫陶瓷生坯及钛酸钡泡沫陶瓷和实施例2制备的钛酸钡泡沫陶瓷的体视显微镜照片。
[0022]图2是本发明实施例1、3、4和5中钛酸钡泡沫陶瓷的X射线衍射图。
[0023]图3是本发明实施例5提供的钛酸钡泡沫陶瓷的扫描电镜照片(放大I千倍)。
[0024]图4是本发明比较例I制备的钛酸钡泡沫陶瓷/氰酸酯树脂复合材料和比较例2制备的钛酸钡陶瓷/氰酸酯树脂复合材料的介电常数随频率变化图。
[0025]图5是本发明实施例5、6和7制备的钛酸钡泡沫陶瓷的抗压强度。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图、实施例和比较例，对本发明技术方案作进一步的描述。
[0027]实施例1 I)浆料的配制
将20g钛酸钡(平均粒径10nm)与1g浓度为10wt%的聚乙稀醇水溶液充分研磨，得到浆料A;在浆料A中加入5g浓度为2wt%的羧甲基纤维素水溶液，充分研磨后得到浆料B;在浆料B中加入1g浓度为lwt%的聚丙烯酰胺水溶液，充分研磨后得到浆料C。
[0028]2)聚氨酯海绵的处理
将规格为25 PPI的聚氨酯海绵浸渍在浓度为15wt%的氢氧化钠水溶液中，升温至60°C并保温3.5h;而后将聚氨酯海绵取出，用去离子水洗涤数次，甩干后得到聚氨酯海绵D;在常