具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法与流程

本发明属于莫来石纳米纤维基多孔陶瓷制备领域，尤其涉及一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法。

背景技术：

1、以莫来石纳米纤维为基体的多孔陶瓷具有高温隔热性能优异、密度低、孔隙率高以及热稳定性好等优点，因此作为高温隔热材料可以广泛应用于工业高温窑炉以及航天航空等领域。莫来石纳米纤维基多孔陶瓷主要由高温粘结剂结合相互搭接的莫来石纳米纤维组成。这种三维结构使莫来石纳米纤维基多孔陶瓷具有较高结构稳定性和低密度的优势。但如何进一步提高莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的强度一直是科研人员研究的重点。

2、近年来，天然松木因其具有优良的机械性能和隔热性能被人们所关注。松木的内部结构可以简化为两种互相垂直的层状结构相互交织而形成的十字交叉网络结构，这种结构赋予了松木良好的韧性和机械支撑强度。此外，独特有序的孔结构也使木材展现优良的隔热性能。鉴于松木独特的显微结构，科研人员采用木模板法制备出了各类具有优良力学性能的多孔陶瓷。例如，周延春等人以松木为模板，通过碳化和浸渍工艺，成功制备出具有与松木内部孔结构相同的多孔sic/c陶瓷，研究表明该材料具有优异的力学性能和极高的损伤容限。但由于陶瓷纤维的长径比过大，难以充分浸渍到木材的缝隙内，所以木模板法并不适用于制备纤维基多孔陶瓷。

3、因此，如能探索出新的成型工艺，制备出具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷，则可大幅度提高莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的强度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法，通过对莫来石纳米纤维膜的逐层堆叠和定向冷冻浇注工艺，制备出了具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷，大幅提高了莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的强度。

2、本发明是通过如下技术方案予以实现：

3、一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法，包括下述步骤：

4、将莫来石纳米纤维膜逐层堆叠在模具中，随后向模具中倒入硅溶胶溶液；所述的硅溶胶溶液的浓度为10~30wt%，所述硅溶胶溶液的加入量与莫来石纳米纤维膜的质量比为20~40：1；

5、将铜棒的一端置于超低温制冷机中，另外一端暴露在空气中，并保证暴露在空气中的铜棒顶部的温度为-30~-80℃；

6、将装有莫来石纳米纤维膜的模具放置于铜棒顶部冷冻1~3h，脱模得冷冻坯体，随后将冷冻坯体放入冷冻干燥机中冷冻干燥，进而得到干燥坯体；

7、将获得的干燥坯体放入箱式炉中煅烧，最终获得具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷。

8、进一步地，所述模具的四周模具壁为有机玻璃，模具底部为铝合金。

9、进一步地，所述的硅溶胶溶液的浓度为15~25wt%，硅溶胶溶液的加入量与莫来石纳米纤维膜的质量比为25~30：1。

10、进一步地，所述暴露在空气中的铜棒顶部的温度为-40~-60℃。

11、进一步地，所述冷冻干燥的条件：压强为1~10kpa，温度为-30~-80℃，时间为40-55h。

12、进一步地，所述煅烧的温度为1100~1400℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为1~3h。

13、针对目前莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的强度较低的问题，本发明受自然界松木独特的十字交叉多孔结构启发，设计了一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷。松木的内部结构可以简化为两种互相垂直的层状结构相互交织而形成的十字交叉网络结构。为此，本发明首先将莫来石纳米纤维膜逐层堆叠来构建具有水平方向的莫来石纳米纤维层状结构；随后以硅溶胶为粘结剂，通过定向冷冻浇注工艺在莫来石纳米纤维层状结构上引入垂直的硅溶胶层状结构。传统的冷冻浇注工艺的冷源分布在样品的四周，冰晶在无明显冷冻梯度的作用下会随机生长，从而推动固体颗粒进行重排。因此，采用传统冷冻浇注工艺制备的多孔陶瓷孔洞为较大的圆形孔。本发明采用的定向冷冻浇注的冷源为单向冷源（铜棒），既冷源仅在模具的底部。由于模具底部为热导率较高的铝合金，四周为热导率较低的有机玻璃，所以冷源仅会从底部传导到浆料中。因此，在溶液的底部和顶部会形成一个较大的温度梯度，在这一温度梯度的作用下，冰晶会沿着温度梯度进行定向生长，所以其会推动硅溶胶进行定向排列，最终形成与莫来石纳米纤维层状结构垂直的硅溶胶层状结构。在冷冻干燥阶段，冰晶直接升华，从而在垂直于莫来石纳米纤维层状结构的方向上留下有序排列的硅溶胶层状结构。硅溶胶作为粘结剂在高温下会转变为二氧化硅，从而形成致密的氧化硅增强层。

14、本发明的优点和积极效果是：

15、本发明制备了一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷，其内部有两种相互垂直的层状结构：一种是由莫来石纳米纤维膜一层一层堆叠形成的莫来石纳米纤维层状结构，另一种是由冰晶定向生长推动硅溶胶形成的硅溶胶层状结构，这两种层状结构相互垂直从而保证了制备的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷具有较高的强度。

技术特征：

1.一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模具（1）的四周模具壁为有机玻璃，模具（1）底部为铝合金。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的硅溶胶溶液的浓度为15~25wt%，硅溶胶溶液的加入量与莫来石纳米纤维膜的质量比为25~30：1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述暴露在空气中的铜棒顶部（21）的温度为-40~-60℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的条件：压强为1~10kpa，温度为-30~-80℃，时间为40-55h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为1100~1400℃，升温速率为2~10℃/min，保温时间为1~3h。

技术总结
本发明属于莫来石纳米纤维基多孔陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷的制备方法，包括下述步骤：将莫来石纳米纤维膜逐层堆叠在模具中，并倒入硅溶胶溶液；将铜棒的一端置于超低温制冷机中，另外一端暴露在空气中，并保证暴露在空气中的铜棒顶部的温度为‑30~‑80℃；将模具置于铜棒顶部进行冷冻，脱模得冷冻坯体，将其放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得干燥坯体；将干燥坯体放入箱式炉中煅烧，最终获得具有类松木结构的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷。本发明获得的莫来石纳米纤维基多孔陶瓷由水平莫来石纳米纤维层状结构和垂直的硅溶胶层状结构组成，这种类松木结构极大的增加了多孔陶瓷材料的强度。

技术研发人员：刘礼龙,刘津
受保护的技术使用者：天津南极星隔热材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15