本发明属于多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷技术领域。尤其涉及一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷及其制备方法。
背景技术：
工业窑炉是钢铁、有色冶金和建材等高温行业加热的关键设备，亦是能源消耗大户。隔热耐火材料是减少工业窑炉热量损失的重要基础材料，发展轻质、高效的隔热耐火材料对高温工业节能减排具有现实意义。刚玉-镁铝尖晶石陶瓷具有优良的高温力学性能和高温化学稳定性，以刚玉-镁铝尖晶石复合材料为原料制备的多孔材料在工业窑炉隔热保温方面具有广泛的应用前景。
目前已有一些关于多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的研究工作，如“具有核壳结构的多孔刚玉骨料及其制备方法”（cn201410584015.7）专利技术，采用泡沫法虽制得含有核壳结构多孔刚玉球的刚玉-尖晶石骨料，但气孔尺寸大、显气孔率低、体积密度大和保温效果较差；又如“一种多孔尖晶石质陶瓷及其制备方法”（cn200610019551.8）专利技术，以菱镁矿和al(oh)3为原料，采用原位分解合成技术虽制得多孔尖晶石陶瓷，但所制制品强度较低、气孔孔径大、透气度高和抗介质侵蚀渗透能力差。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的制备方法，所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷体积密度小、导热系数低、强度高、透气度低和抗介质侵蚀能力强。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：
步骤一、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，先以0.3~1.2℃/min的速率升温至280~450℃，保温1~4小时，再以1.5~2.3℃/min的速率升温至800~1200℃，保温1~5小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体。
步骤二、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为60~89wt%、氯化镁溶液为10~25wt%和菱镁矿微粉为0.1~19wt%配料，将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kpa以下，再将所述氯化镁溶液和所述菱镁矿微粉加入所述真空搅拌机中，搅拌10~15分钟，关闭抽真空系统，得到混合料。
步骤三、将所述混合料在110~220℃条件下保温2~5h，冷却，在30~100mpa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥12~36小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以1~3℃/min的速率升温至800~1200℃，保温1~4h，再以3~5℃/min的速率升温至1400~1600℃，保温3~8h，冷却，即得纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷。
所述氢氧化铝细粉粒径小于88μm，氢氧化铝细粉的al2o3含量为60~66wt%。
所述菱镁矿微粉粒径小于6μm，菱镁矿微粉的mgo含量为42~50wt%。
所述氯化镁溶液的mgcl2含量为10~30wt%。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的氢氧化铝细粉在280~450℃条件下分解产生纳米级气孔，形成氧化铝微晶，利用其在800~1200℃时会发生表面扩散物质传输过程，使氧化铝微晶之间产生颈部链接，以限制烧结中后期的颗粒重排，得到高孔隙率的氧化铝粉体；采用高孔隙率的氧化铝粉体能使纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的体积密度降低。
本发明向高孔隙率的氧化铝粉体中引入含氯化镁溶液，在真空条件下溶液中的氯化镁富集在颗粒颈部，通过高温原位反应生成体积膨胀的镁铝尖晶石，阻碍纳米孔合并长大。
本发明向高孔隙率的氧化铝粉体中引入菱镁矿微粉以填充氧化铝粉体之间的空隙，一方面会使氧化铝颗粒间的气孔纳米化，会增强纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的强度，降低制品的透气度和导热系数；另一方面菱镁矿微粉和氯化镁溶液与氧化铝原位反应生成尖晶石，由于尖晶石生成在氧化铝颗粒的颈部，形成氧化铝颗粒颈部间的连接，阻止了氧化铝颗粒在高温烧结过程中的重排，提高了纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的强度和抗介质侵蚀性能。
本发明所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为25~60%；体积密度为1.53~2.65g/cm3；平均孔径为300~1000nm；耐压强度为50~150mpa；物相组成为刚玉和镁铝尖晶石。
因此，本发明所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的气孔孔径为纳米级，具有体积密度小、导热系数低、强度高、透气度低和抗介质侵蚀能力强的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式中的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述氢氧化铝细粉的al2o3含量为60~66wt%。
所述菱镁矿微粉的mgo含量为42~50wt%。
所述氯化镁溶液的mgcl2含量为10~30wt%。
实施例1
一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，先以0.3~1.2℃/min的速率升温至280~450℃，保温1~2小时，再以1.5~2.3℃/min的速率升温至800~1000℃，保温1~3小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体。
步骤二、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为60~70wt%、氯化镁溶液为20~25wt%和菱镁矿微粉为10~15wt%配料，将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kpa以下，再将所述氯化镁溶液和所述菱镁矿微粉加入所述真空搅拌机中，搅拌10~15分钟，关闭抽真空系统，得到混合料。
步骤三、将所述混合料在110~220℃条件下保温2~3h，冷却，在30~60mpa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥12~24小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以1~3℃/min的速率升温至800~1000℃，保温1~3h，再以4~5℃/min的速率升温至1400~1500℃，保温3~5h，冷却，即得纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷。
本实施例所述菱镁矿细粉粒径小于6μm；所述氢氧化铝微粉粒径小于88μm。
本实施例所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为40~60%；体积密度为1.53~2.17g/cm3；平均孔径为600~1000nm；耐压强度为50~100mpa。
实施例2
一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，先以0.3~1.2℃/min的速率升温至280~450℃，保温2~3小时，再以1.5~2.3℃/min的速率升温至1000~1200℃，保温3~5小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体。
步骤二、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为65~75wt%、氯化镁溶液为10~17wt%和菱镁矿微粉为15~19wt%配料，将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至1.5kpa以下，再将所述氯化镁溶液和所述菱镁矿微粉加入所述真空搅拌机中，搅拌10~15分钟，关闭抽真空系统，得到混合料。
步骤三、将所述混合料在110~220℃条件下保温3~4h，冷却，在60~80mpa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥18~24小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以1~3℃/min的速率升温至1000~1200℃，保温1~3h，再以4~5℃/min的速率升温至1500~1600℃，保温3~5h，冷却，即得纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷。
本实施例所述菱镁矿细粉粒径小于4μm；所述氢氧化铝微粉粒径小于44μm。
本实施例所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为35~55%；体积密度为1.69~2.33g/cm3；平均孔径为500~800nm；耐压强度为60~110mpa。
实施例3
一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，先以0.3~1.2℃/min的速率升温至280~450℃，保温2~4小时，再以1.5~2.3℃/min的速率升温至800~1000℃，保温1~3小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体。
步骤二、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为70~82wt%、氯化镁溶液为15~20wt%和菱镁矿微粉为2~11wt%配料，将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至0.5kpa以下，再将所述氯化镁溶液和所述菱镁矿微粉加入所述真空搅拌机中，搅拌10~15分钟，关闭抽真空系统，得到混合料。
步骤三、将所述混合料在110~220℃条件下保温2~4h，冷却，在70~90mpa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥16~30小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以1~3℃/min的速率升温至800~1000℃，保温3~4h，再以3~4℃/min的速率升温至1400~1500℃，保温5~8h，冷却，即得纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷。
本实施例所述菱镁矿细粉粒径为2~4μm；所述氢氧化铝微粉粒径为22~74μm。
本实施例所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为30~50%；体积密度为1.85~2.49g/cm3；平均孔径为400~700nm；耐压强度为80~130mpa。
实施例4
一种纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，先以0.3~1.2℃/min的速率升温至280~450℃，保温3~4小时，再以1.5~2.3℃/min的速率升温至1000~1200℃，保温3~5小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体。
步骤二、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为75~89wt%、氯化镁溶液为10~18wt%和菱镁矿微粉为0.1~10wt%配料，将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至1.0kpa以下，再将所述氯化镁溶液和所述菱镁矿微粉加入所述真空搅拌机中，搅拌10~15分钟，关闭抽真空系统，得到混合料。
步骤三、将所述混合料在110~220℃条件下保温3~5h，冷却，在80~100mpa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥24~36小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以1~3℃/min的速率升温至1000~1200℃，保温3~4h，再以3~4℃/min的速率升温至1500~1600℃，保温4~8h，冷却，即得纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷。
本实施例所述菱镁矿细粉粒径小于2μm；所述氢氧化铝微粉粒径小于22μm。
本实施例所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为25~45%；体积密度为2.01~2.65g/cm3；平均孔径为300~600nm；耐压强度为100~150mpa。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的氢氧化铝细粉在280~450℃条件下分解产生纳米级气孔，形成氧化铝微晶，利用其在800~1200℃时会发生表面扩散物质传输过程，使氧化铝微晶之间产生颈部链接，以限制烧结中后期的颗粒重排，得到高孔隙率的氧化铝粉体；采用高孔隙率的氧化铝粉体能使纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的体积密度降低。
本具体实施方式向高孔隙率的氧化铝粉体中引入含氯化镁溶液，在真空条件下溶液中的氯化镁富集在颗粒颈部，通过高温原位反应生成体积膨胀的镁铝尖晶石，阻碍纳米孔合并长大。
本具体实施方式向高孔隙率的氧化铝粉体中引入菱镁矿微粉以填充氧化铝粉体之间的空隙，一方面会使氧化铝颗粒间的气孔纳米化，会增强纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的强度，降低制品的透气度和导热系数；另一方面菱镁矿微粉和氯化镁溶液与氧化铝原位反应生成尖晶石，由于尖晶石生成在氧化铝颗粒的颈部，形成氧化铝颗粒颈部间的连接，阻止了氧化铝颗粒在高温烧结过程中的重排，同时提高了纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的强度和抗介质侵蚀性能。
本具体实施方式所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷经检测：显气孔率为25~60%；体积密度为1.53~2.65g/cm3；平均孔径为300~1000nm；耐压强度为50~150mpa；物相组成为刚玉和镁铝尖晶石。
因此，本具体实施方式所制备的纳米孔径的多孔刚玉-镁铝尖晶石陶瓷的气孔孔径为纳米级，具有体积密度小、导热系数低、强度高、透气度低和抗介质侵蚀能力强的特点。