一种轻质陶瓷复合薄板的制作方法

本发明属于陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法。

背景技术：

陶瓷薄板以其节能降耗、清洁环保、轻质高强等特点，使传统建筑陶瓷发生了重大变革，建筑陶瓷薄型化已成为行业未来发展趋势。然而，目前陶瓷薄板主要还是依靠调节原材料配比，采用高吨位压机降低陶瓷坯体孔隙率来提高薄板的强度和韧性，原材料成本高，设备要求高，限制了陶瓷薄板的推广应用。纤维增强是提高陶瓷材料强度和韧性的有效手段。中国发明专利zl201510266745.7（cn104926344b）公开了一种“硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷及其制备方法”以氧化物溶胶为先驱体，对硅酸铝纤维织物进行真空浸渍，然后进行凝胶化，再经高温陶瓷化后，制得硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷。但是该复合材料的成本和制备流程都难以在建筑陶瓷行业应用。

技术实现要素：

鉴于以上缺陷，本发明的目的在于提供一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法，该陶瓷复合板具有密度低、强度、梯度孔隙结构，且制备方法简单、成本低，适用于功能陶瓷薄板材的生产。

一方面，本发明提供了一种轻质陶瓷复合薄板，所述轻质陶瓷复合薄板包括陶瓷薄板基体和分布于所述陶瓷薄板基体中的多晶莫来石纤维，所述轻质陶瓷复合薄板在厚度方向上具有梯度孔隙结构。

较佳地，所述轻质陶瓷复合薄板中，多晶莫来石纤维的体积分数为10～30%。

较佳地，所述轻质陶瓷复合薄板的密度为1.5～2.0g/cm³，弯曲强度＞80mpa。

另一方面，本发明提供了一种轻质陶瓷复合薄板的制备方法，包括以下步骤：

（1）将多晶莫来石纤维、粘结剂和水混合均匀，配制成纤维分散液；

（2）将陶瓷粉料加入到所得纤维分散液中，配制成混合悬浮液；

（3）将所得混合悬浮液倒入真空抽滤装置，经真空抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯；

（4）将所得纤维增强陶瓷素坯素烧，得到陶瓷薄板坯体；

（5）将所得陶瓷薄板坯体放入真空抽滤装置中，并倒入含有陶瓷粉料和粘结剂的悬浮液进行真空吸渗处理，得到真空吸渗后的陶瓷薄板坯体；

（6）将所得真空吸渗后的陶瓷薄板坯体烧结，得到所述轻质陶瓷复合薄板。

在本公开中，利用多晶莫来石纤维作为增强体，并引入粘结剂，陶瓷粉料作为基体，采用真空吸渗（真空抽滤）-低温烧结（素烧）制备多孔陶瓷薄板坯体，低温烧结使得纤维与基体成为一个整体，增大素坯的强度，避免吸渗的过程中素坯的开裂和变形。再选用含有陶瓷粉料和粘结剂的悬浮液作为原料，利用二次真空吸渗处理的方法将陶瓷粉料和粘结剂填补在多孔陶瓷薄板坯体的表层空隙，从而形成的梯度孔隙结构，再经过高温烧结制得具有梯度孔隙结构的轻质陶瓷复合薄板。粘结剂的存在使得陶瓷粉料和陶瓷薄板坯体紧密结合。

较佳地，步骤（1）中，所述多晶莫来石纤维的使用温度＞1400℃，直径为3μm～5μm，长度为5～10mm；所述粘结剂为硅溶胶，优选地，硅溶胶中sio2的质量浓度为20～30%。

较佳地，步骤（1）中，步骤（1）中，所述纤维分散液中多晶莫来石纤维和粘结剂的质量比为（3～1）:1，多晶莫来石纤维和水的质量比为1:（10～20）。

较佳地，步骤（2）中，所述多晶莫来石纤维和陶瓷粉料的质量比为1:（2～5）。

较佳地，步骤（2）中，所述陶瓷粉料包括：35wt%～45wt%sio2，35wt%～45wt%莫来石，10wt%～30wt%刚玉粉；优选地，所述陶瓷粉料的粒径＜100目。

较佳地，步骤（3）中，所述纤维增强陶瓷素坯的厚度为5～8mm。

较佳地，步骤（4）中，素烧的温度为600～800℃，素烧时间为0.5～1.0小时。

较佳地，步骤（5）中，所述含有陶瓷粉料和粘结剂的悬浮液中粘结剂和陶瓷粉料的质量比为1:（2～5）。悬浮液中粘结剂和陶瓷粉料的质量比取值影响后续二次真空吸渗的深度和填充孔隙效果。在上述比值范围时，后续二次真空吸渗的深度和填充孔隙效果较佳。粘结剂的含量影响高温烧结的温度和时间。在上述粘结剂含量时，高温烧结的温度和时间较合适。优选地，所述粘结剂为硅溶胶，更优选地，硅溶胶中sio2的质量浓度为20～30%；所述陶瓷粉料包括：35wt%～45wt%sio2，35wt%～45wt%莫来石，10wt%～30wt%刚玉粉；优选地，所述陶瓷粉料的粒径＜100目。

较佳地，步骤（3）中，所述真空抽滤的真空度为10～100pa，抽滤时间为5～10分钟；步骤（5）中，所述真空吸渗处理的真空度为10～100pa，抽滤时间为10～20分钟。

较佳地，在素烧之前，将所得纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型，所述静压成型的压力为3～5mpa。

较佳地，步骤（6）中，烧结的温度为1100℃～1300℃，时间为1～2小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明选取真空抽滤的方式来制备陶瓷薄板素坯，可以大幅度提升陶瓷薄板内纤维的体积分数，有效的避免纤维的损伤，提高纤维强韧化效果，利用二次真空吸渗使得陶瓷薄板形成的梯度孔隙结构，陶瓷薄板截面形成致密到多孔结构，有效降低了陶瓷薄板的自重，不仅减少了原材料的消耗，也可以大幅度的降低施工难度，可以有效拓展其应用领域。此外，陶瓷薄板的孔隙结构可以在隔热、减噪等领域得到应用，丰富陶瓷薄板的功能。

附图说明

图1为本发明真空吸渗工艺制备轻质陶瓷复合薄板的示意图；

图2为本发明轻质复合陶瓷薄板的结构示意图；

图3为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的多孔表面sem图；

图4为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的致密表面sem图；

图5为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的板内部的增强纤维的sem图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。以下各百分比如无特别说明均指质量百分比。

在本公开中，轻质陶瓷复合薄板包括陶瓷薄板基体和分布于所述陶瓷薄板基体中的多晶莫来石纤维。而且，轻质陶瓷复合薄板在厚度方向上具有梯度孔隙结构。

所谓多晶莫来石纤维是多晶氧化铝纤维的一种，纤维中al2o3含量在72%～75%之间。多晶莫来石纤维可以增强薄板强韧度。优选实施方式中，多晶莫来石纤维的直径为3～5μm，长度为5～10mm。

梯度孔隙结构有效降低了陶瓷薄板的自重，不仅减少了原材料的消耗，也可以大幅度的降低施工难度，可以有效拓展其应用领域。此外，陶瓷薄板的孔隙结构可以在隔热、减噪等领域得到应用，丰富陶瓷薄板的功能。

图2示出一实施方式的轻质陶瓷复合薄板的截面结构示意图，如图2所示，轻质陶瓷复合薄板具有在厚度方向上从致密到多孔结构的结构，依次包括致密层、过渡层和多孔层。一些实施方式中，轻质陶瓷复合薄板在厚度方向上从一侧至另一侧孔隙率逐渐增大。一些实施方式中，多孔层的孔隙尺寸在10～200微米分布。

轻质陶瓷复合薄板中，多晶莫来石纤维可呈均匀分布，其体积分数可为10～30%。

陶瓷薄板基体的原料配方可为：35wt%～45wt%sio2，35wt%～45wt%莫来石，10wt%～30wt%刚玉粉，各组分质量百分含量之和为100wt%。采用这样的配方可以有效降低烧结温度避免增强纤维与陶瓷粉料在高温下的反应，同时保证烧结后的陶瓷薄板具有较高的强度。

一些实施方式中，本公开的轻质陶瓷复合薄板可以是通过在多孔陶瓷薄板坯体中梯度填充陶瓷粉体并烧结而得。另外，轻质陶瓷复合薄板中还可以含有粘结剂，其使得填充于孔中的陶瓷粉料和陶瓷薄板坯体紧密结合。

一些实施方式中，本公开的轻质陶瓷复合薄板的密度可为1.5～2.0g/cm³，弯曲强度＞80mpa。本公开中，采用三点弯曲法测试所得的轻质陶瓷复合薄板的弯曲强度。

一些实施方式中，本公开的轻质陶瓷复合薄板的厚度可为5～8mm，进一步可为5mm以下。

在本公开的一些实施方式中，利用多晶莫来石纤维作为增强体，硅溶胶作为粘结剂，陶瓷粉料作为基体，采用真空吸渗-低温烧结制备多孔陶瓷薄板，再利用二次真空吸渗填补多孔陶瓷薄板表层空隙，再经过高温烧结制得具有梯度孔隙结构的轻质陶瓷复合薄板。以下示例性地说明轻质陶瓷复合薄板的制备方法。

将多晶莫来石纤维、硅溶胶和水搅拌均匀，分散，配制成纤维分散液。其中，多晶莫来石纤维的使用温度＞1400℃。莫来石纤维一般作为耐火材料使用，使用温度指其在一定的温度下不会发生相变或者熔融。多晶莫来石纤维的直径可为5~10μm，长度可为5～10mm。硅溶胶中sio2浓度20～30%。在可选的实施方式中，纤维分散液中多晶莫来石纤维与硅溶胶的质量比控制在3:1～1:1范围内。采用该比例范围可以有效的保证莫来石纤维的分散和陶瓷纤维素坯的强度。纤维分散液中多晶莫来石纤维和水的质量比例可控制在1:10～1:20范围内。分散方式可为机械搅拌。

将陶瓷粉料加入到纤维分散液中，加入过程中持续搅拌，配制成混合悬浮液（料浆）。如直接将陶瓷粉料和多晶莫来石纤维、硅溶胶、水一起加入则料浆太稠，不利于纤维的分散，优选先将纤维分散了之后再加入陶瓷粉料。其中，陶瓷粉料可含有sio2、莫来石和刚玉粉。在可选的实施方式中，陶瓷粉料中sio2粉的含量为（35%～45%），莫来石的含量为35%～45%，刚玉粉的含量为10%～30%，各组分质量总含量为100%。陶瓷粉料球磨造粒后的粒径＜100目。在该粒径范围时有利于料浆的分散，构建均匀的孔隙结构。在可选的实施方式中，控制多晶莫来石纤维与陶瓷粉料的配比为1:2～1:5。

采用真空抽滤的方法，将混合悬浮液倒入真空抽滤装置，真空抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯。在可选的实施方式中，纤维增强陶瓷素坯的厚度控制在5～8mm。真空抽滤中，真空度和抽滤时间可根据需要的厚度和孔结构进行选择，例如真空度可为10~100pa，抽滤时间可为5～10分钟。

在可选的实施方式中，将纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型。所得静压成型后的纤维增强陶瓷素坯的厚度控制在5～8mm之间。静压成型可使坯料厚度降低10%~20%。其中，纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型压力可控制在3～5mpa之间，这样可以有利于提高素坯的纤维体积分数和素坯强度。

将纤维增强陶瓷素坯进行素烧（低温烧结），得到陶瓷薄板坯体。其中，低温烧结温度可为600～800℃，烧结时间可为0.5～1.0小时。所得陶瓷薄板坯体的孔隙率可为25～40%。

将硅溶胶和陶瓷粉料配制成悬浮液。其中，悬浮液中硅溶胶和陶瓷粉体的质量配比控制在1:2～1:5范围内。采用该比例范围有利于陶瓷粉料的分散，同时保证料浆的粘度有利于渗入素坯内。悬浮液中的溶剂可为水等。硅溶胶中sio2浓度可为20～30%。其中，陶瓷粉料与上述用于制备陶瓷薄板坯体的陶瓷粉料的组成可以相同，也可以不同，优选相同，相同时可以保证材料配比的一致性，避免烧结过程中配比不一致引起的应力，导致陶瓷薄板的变形和开裂。一些实施方式中，该陶瓷粉料含有sio2、莫来石和刚玉粉。优选地，陶瓷粉料中sio2含量可为35%～45%，莫来石含量可为35%～45%，刚玉粉含量可为10%～30%，各组分质量总含量为100%。优选实施方式中，陶瓷粉料的粒径＜100目。在该粒径范围可以有利于陶瓷粉料渗入陶瓷薄板坯体表层。

如图1所示，将低温烧结陶瓷薄板坯体放入真空抽滤装置中，并将悬浮液倒入真空抽滤装置，抽真空进行真空吸渗处理，使陶瓷粉体和硅溶胶渗入陶瓷薄板坯体表层，填充表面孔隙，并将沉积在陶瓷薄板坯体表面的多余浆料去除，得到将真空吸渗处理后的陶瓷薄板坯体。真空吸渗处理中，真空度和抽滤时间可根据需要的孔结构进行选择，例如真空度可为10～100pa，抽滤时间可为10～20分钟。

将真空吸渗处理后的陶瓷坯体高温烧结，得到轻质复合陶瓷薄板。其中，高温烧结温度可为1100℃～1300℃，时间可为1～2小时。上述实施方式中，粘结剂为硅溶胶，但应理解，本发明中，粘结剂不限于此，也可以是铝溶胶、水玻璃、纳米氧化硅或氧化铝水基悬浮液等。其中优选硅溶胶，因硅溶胶价格低廉，而且是一种很好的陶瓷粉料的分散剂，具有较高的性价比。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。下述实施例中，若无特殊说明，多晶莫来石纤维购自浙江欧诗漫晶体纤维有限公司，型号为f-1600，其直径为3～5μm，长度为5～10mm；硅溶胶购自山东百特新材料有限公司，型号为pi2020，硅溶胶中sio2的质量浓度为20%。以下实施例中，选用阿基米德排水法测得轻质陶瓷复合薄板的密度。选用三点弯曲法测得轻质陶瓷复合薄板的弯曲强度。

实施例1

一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法，包括以下步骤：

1）将多晶莫来石纤维100g，硅溶胶100g，加入2000ml水搅拌中搅拌分散，配制成纤维分散液；

2）将sio2含量为35%，莫来石含量35%，刚玉粉含量30%的陶瓷粉料球磨造粒后，经过筛分，选取粒径＜100目的粉料。将陶瓷粉料300g加入到纤维分散液中，加入过程中持续搅拌，配制成混合悬浮液；

3）将采用真空抽滤，将混合悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为10pa，抽滤时间为5分钟，抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯，厚度控制在8mm；

4）将纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型，施加压力为5mpa，厚度为5.8mm；

5）将成型后的纤维增强陶瓷素坯800℃低温烧结1小时，得到低温烧结陶瓷薄板坯体，孔隙率为28%；

6）硅溶胶100g和陶瓷粉料（组成与步骤2）中的陶瓷粉料相同）300g，加入1000ml水后配制成悬浮液；

7）将低温烧结陶瓷薄板坯体，放入真空抽滤装置中（如图1所示），将悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为10pa，抽真空15分钟，使得纤维增强陶瓷坯料表面渗入陶瓷粉料，填充表面孔隙，并将沉积在陶瓷薄板坯体表面的多余浆料去除；

8）将真空吸渗处理后的陶瓷薄板坯体经过1300℃高温烧结1小时，得到轻质复合陶瓷薄板，厚度为4.9mm。

本实施例1所制得的轻质陶瓷复合薄板的密度为1.98g/cm³，抗弯强度为98mpa。其中多晶莫来石纤维的体积分数为21%。

实施例2

一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法，包括以下步骤：

1）将多晶莫来石纤维100g，硅溶胶50g，加入1000ml水搅拌中搅拌分散，配制成纤维分散液；

2）将sio2粉含量为45%，莫来石粉含量45%，刚玉粉含量10%的陶瓷粉料球磨造粒后，经过筛分，选取粒径＜100目的粉料。将陶瓷粉料200g加入到纤维分散液中，加入过程中持续搅拌，配制成混合悬浮液；

3）将采用真空抽滤，将混合悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为100pa，抽滤时间为10分钟，抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯，厚度控制在5mm；

4）将纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型，施加压力为3mpa，厚度为4.5mm；

5）将成型后的纤维增强陶瓷素坯600℃低温烧结1小时，得到低温烧结陶瓷薄板坯体，孔隙率为35%；

6）硅溶胶100g和陶瓷粉料（组成与步骤2）中的陶瓷粉料相同）200g，加入1000ml水后配制成悬浮液；

7）将低温烧结陶瓷薄板坯体，放入真空抽滤装置中（如图1所示），将悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为100pa，抽真空10分钟，使得纤维增强陶瓷坯料表面渗入陶瓷粉料，填充表面孔隙，并将沉积在陶瓷薄板坯体表面的多余浆料去除；

8）将真空吸渗处理后的陶瓷薄板坯体经过1100℃高温烧结1小时，得到轻质复合陶瓷薄板，厚度为4.5mm。

本实施例2所制得的轻质陶瓷复合薄板的密度为1.62g/cm³，抗弯强度为85mpa。其中多晶莫来石纤维的体积分数为28%。

实施例3

一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法，包括以下步骤：

1）将多晶莫来石纤维100g，硅溶胶40g，加入1500ml水搅拌中搅拌分散，配制成纤维分散液；

2）将sio2粉含量为40%，莫来石粉含量40%，刚玉粉含量20%的陶瓷粉料球磨造粒后，经过筛分，选取粒径＜100目的粉料。将陶瓷粉料500g加入到纤维分散液中，加入过程中持续搅拌，配制成混合悬浮液；

3）将采用真空抽滤，将混合悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为50pa，抽滤时间为8分钟，抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯，厚度控制在8mm；

4）将纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型，施加压力为4mpa，厚度为7.2mm；

5）将成型后的纤维增强陶瓷素坯700℃低温烧结1小时，得到低温烧结陶瓷薄板坯体，孔隙率为32%；

6）硅溶胶100g和陶瓷粉料（组成与步骤2）中的陶瓷粉料相同）500g，加入2000ml水后配制成悬浮液；

7）将低温烧结陶瓷薄板坯体，放入真空抽滤装置中（如图1所示），将悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为40pa，抽真空20分钟，使得纤维增强陶瓷坯料表面渗入陶瓷粉料，填充表面孔隙，并将沉积在陶瓷薄板坯体表面的多余浆料去除；

8）将真空吸渗处理后的陶瓷薄板坯体经过1200℃高温烧结1小时，得到轻质复合陶瓷薄板，厚度为7.2mm。

本实施例3所制得的轻质陶瓷复合薄板的密度为1.78g/cm³，抗弯强度（弯曲强度）为80mpa。其中多晶莫来石纤维的体积分数为15%。

实施例4

一种轻质陶瓷复合薄板及其制备方法，包括以下步骤：

1）将多晶莫来石纤维100g，硅溶胶60g，加入1500ml水搅拌中搅拌分散，配制成纤维分散液；

2）将sio2粉含量为40%，莫来石粉含量35%，刚玉粉含量25%的陶瓷粉料球磨造粒后，经过筛分，选取粒径＜100目的粉料。将陶瓷粉料400g加入到纤维分散液中，加入过程中持续搅拌，配制成混合悬浮液；

3）将采用真空抽滤，将混合悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为40pa，抽滤时间为6分钟，抽滤后得到纤维增强陶瓷素坯，厚度控制在7.2mm；

4）将纤维增强陶瓷素坯在压机中静压成型，施加压力为3mpa，厚度为6.9mm；

5）将成型后的纤维增强陶瓷素坯750℃低温烧结1小时，得到低温烧结陶瓷薄板坯体，孔隙率为27%；

6）硅溶胶100g和陶瓷粉料（组成与步骤2）中的陶瓷粉料相同）400g，加入2000ml水后配制成悬浮液；

7）将低温烧结陶瓷薄板坯体，放入真空抽滤装置中（如图1所示），将悬浮液倒入真空抽滤装置，真空度为40pa，抽真空20分钟，使得纤维增强陶瓷坯料表面渗入陶瓷粉料，填充表面孔隙，并将沉积在陶瓷薄板坯体表面的多余浆料去除；

8）将真空吸渗处理后的陶瓷薄板坯体经过1200℃高温烧结1小时，得到轻质复合陶瓷薄板，厚度为6.9mm。

本实施例4所制得的轻质陶瓷复合薄板的密度为1.85g/cm³，抗弯强度为85mpa。其中多晶莫来石纤维的体积分数为19%。

图3为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的多孔表面sem图，从图中可知陶瓷薄板为多孔结构，孔隙尺寸在10~200微米分布；

图4为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的致密表面sem图，从图中可知陶瓷粉料渗入纤维增强陶瓷坯料的表面形成致密层，孔隙被二次浸渗料件封填；

图5为实施例2制备的轻质复合陶瓷薄板的板内部的增强纤维的sem图，从图中可知多晶莫来石纤维结依然保持了较大的长径比，纤维表面损伤小，且纤维与陶瓷基体之间结合紧密。