一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，將水熱合成的核殼結(jié)構(gòu)粉體作為造孔劑添加到氧化鋁漿料中制備氧化鋁陶瓷，在陶瓷坯體的燒結(jié)過(guò)程中，內(nèi)核碳球氧化除掉，外殼氧化鋁層與氧化鋁基體燒結(jié)致密，并與燒結(jié)助劑形成鎂鋁尖晶石，釘扎于晶界。制得的氧化鋁陶瓷成功引入了閉氣孔，其閉氣孔率達(dá)10％-60％，開口氣孔率低于5％，陶瓷熱導(dǎo)率達(dá)到0.1W/(m·K)，使用溫度超過(guò)1400℃。解決目前發(fā)泡法制備多孔陶瓷工藝復(fù)雜、添加劑過(guò)多以及制品易粉化等諸多缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔陶瓷的制備方法，涉及一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隔熱材料廣泛應(yīng)用于窯爐以及高溫設(shè)備的內(nèi)襯、絕熱層等部位，輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫的隔熱陶瓷是當(dāng)今發(fā)展的重點(diǎn)。在現(xiàn)有的各種材質(zhì)的隔熱材料中，按原料劃分有氧化鋯質(zhì)、娃質(zhì)、續(xù)質(zhì)、聞?wù)匈|(zhì)等，其中氧化招隔熱材料的種類最多，如氧化招纖維、聞?wù)匈|(zhì)隔熱磚、氧化鋁空心球制品等。與普通的隔熱材料相比，氧化鋁隔熱材料具有體積密度低、荷重軟化溫度高、耐壓強(qiáng)度高、熱容量低等特點(diǎn)，且其原料豐富，性價(jià)比高，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的輕質(zhì)高溫隔熱材料。
[0003]提高陶瓷材料的閉氣孔率是改善材料隔熱性能的有效手段。多孔陶瓷的制備方法有添加造孔劑、發(fā)泡法、冷凍干燥、凝膠注模及三維打印等，但是多數(shù)造孔工藝只能在陶瓷材料中產(chǎn)生開口氣孔，到目前為止，閉孔型多孔陶瓷的制備廣泛采用的是發(fā)泡工藝。發(fā)泡法能有效的在陶瓷坯體中產(chǎn)生閉孔結(jié)構(gòu)，但是由于發(fā)泡劑的引入，增加了工藝的復(fù)雜性，且陶瓷孔結(jié)構(gòu)的可控性較差(如孔徑不易控制，氣孔大小不一；氣孔率過(guò)高，力學(xué)性能降低等)，制備的多孔陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象。
[0004]文獻(xiàn)I “杜景紅，張林，甘國(guó)友等.一種利用凝膠-發(fā)泡法制備氧化鋁多孔陶瓷的方法，中國(guó)，CN102432332B [P].2014”公開了一種制備高性能的閉孔隔熱氧化鋁陶瓷的方法。該方法將凝膠注模工藝與發(fā)泡法相結(jié)合，所制備陶瓷的閉孔氣孔率為37-67%，強(qiáng)度為8-124MPa。該方法引入有機(jī)單體、分散劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等多種有機(jī)原料，工藝過(guò)程復(fù)雜，不易控制。
[0005]文獻(xiàn)2 “袁磊，和珍寶，于坤.超塑性高溫發(fā)泡制備閉孔多孔Al2O3基陶瓷[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34 =939-943.”公開了一種制備閉孔氧化鋁陶瓷的方法。該方法采用SiC作為高溫發(fā)泡劑并分散于陶瓷坯體中，所制備材料閉孔氣孔率為13.2%，開孔氣孔率為1.3%。此方法制備的Al2O3陶瓷在燒結(jié)后存在S12相，降低了隔熱陶瓷的使用溫度。
[0006]綜上所述，采用發(fā)泡工藝制備多孔陶瓷存在工藝過(guò)程控制和高溫隔熱性能等問題。因此，研究組分和結(jié)構(gòu)可控、高溫隔熱性能優(yōu)異、低污染的制備工藝，是當(dāng)今輕質(zhì)高溫隔熱陶瓷發(fā)展的趨勢(shì)，目前尚無(wú)采用Al2O3OC核殼材料作造孔劑制備閉孔型氧化鋁隔熱陶瓷的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]要解決的技術(shù)問題
[0008]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，解決目前發(fā)泡法制備多孔陶瓷工藝復(fù)雜、添加劑過(guò)多以及制品易粉化等諸多缺點(diǎn)。
[0009]技術(shù)方案
[0010]一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0011]步驟1:將鋁鹽和葡萄糖按質(zhì)量比2/5?3/5溶解于去離子水中，成無(wú)色透明溶液，溶液濃度為0.4mol/L ;將溶液密封于高壓反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60% -80%，升溫至160°C?180°C，保溫16h?24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫得到沉淀產(chǎn)物；
[0012]步驟2:將沉淀產(chǎn)物置于馬弗爐中，氬氣氣氛保護(hù)，升溫至900?1200°C，保溫2?4h后隨爐冷卻，得到Al2O3OC核殼結(jié)構(gòu)粉體；
[0013]步驟3:將C1-Al2O3粉和燒結(jié)助劑混合球磨10_24h后得到漿料，其中燒結(jié)助劑為兩者總量的5?10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；將超聲分散處理后的Al2O3OC粉體加入漿料中，其中Al2O3OC粉體為兩者總量的I?10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；機(jī)械攪拌5?10h，制得預(yù)混料；將預(yù)混料干燥后研磨，置于模具中通過(guò)軸向模壓和冷等靜壓壓制成型，得到陶瓷坯體，其中軸向模壓和冷等靜壓的壓力分別為10-20MPa和200-250MPa ；
[0014]步驟4:將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫速度2?5°C /min，燒結(jié)溫度為1400?1500°C，保溫時(shí)間為2-5h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，得到閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷。
[0015]所述鋁鹽為Al (NO3) 3.9H20 或 Al2 (SO4) 3.18H20。
[0016]所述燒結(jié)助劑為氧化鎂或氧化鎂和氧化鈦的混合物。
[0017]所述氧化鎂的粒徑為0.1?5 μ m。
[0018]所述氧化鈦為金紅石型物相，粒徑為0.1-1 μ m。
[0019]所述a -Al2O3的氧化鋁粉的粒徑為0.1-5 μ m。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明提出的一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，將水熱合成的核殼結(jié)構(gòu)粉體作為造孔劑添加到氧化鋁漿料中制備氧化鋁陶瓷，在陶瓷坯體的燒結(jié)過(guò)程中，內(nèi)核碳球氧化除掉，外殼氧化鋁層與氧化鋁基體燒結(jié)致密，并與燒結(jié)助劑形成鎂鋁尖晶石，釘扎于晶界。制得的氧化鋁陶瓷成功引入了閉氣孔，其閉氣孔率達(dá)10%-60%，開口氣孔率低于5%，陶瓷熱導(dǎo)率達(dá)到0.1ff/(m.K)，使用溫度超過(guò)1400°C。
[0022]本發(fā)明的有益效果為:(1)通過(guò)在氧化鋁漿料中引入核殼結(jié)構(gòu)造孔劑，達(dá)到了在氧化鋁陶瓷產(chǎn)生閉氣孔的目的，為制備閉孔型多孔陶瓷提供了新思路；(2)與發(fā)泡法制備閉孔陶瓷相比，該方法無(wú)發(fā)泡劑、催化劑、分散劑等有機(jī)添加劑，安全環(huán)保，工藝簡(jiǎn)單；(3)所制得多孔氧化鋁陶瓷中閉孔氣孔率可控，最高達(dá)60%，且開氣孔率遠(yuǎn)低于目前公開的相關(guān)隔熱陶瓷的開氣孔率；(4)陶瓷制品的隔熱性能優(yōu)異，達(dá)到高溫隔熱陶瓷的使用要求。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明方法的工藝流程圖
[0024]圖2是實(shí)施例1中Al2O3OC粉體(前驅(qū)體A)的TEM照片
[0025]圖3(a)是實(shí)施例1中所制備氧化鋁陶瓷的斷面SEM照片，圖3 (b)是陶瓷閉孔結(jié)構(gòu)SEM照片
[0026]圖4是實(shí)施例1中氧化鋁陶瓷的XRD圖譜

【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0028]實(shí)施實(shí)例1:
[0029](I)將4g的Al (NO3)3.9H20和1g的葡萄糖溶解于140mL去離子水中，攪拌至無(wú)色透明溶液，置于200mL水熱反應(yīng)爸中。
[0030](2)將三組密封后的水熱反應(yīng)釜置于鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至160°C，保溫時(shí)間分別為16h、20h和24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。
[0031](3)打開水熱反應(yīng)釜，產(chǎn)物通過(guò)抽濾收集，然后分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次；將收集沉淀于干燥箱中60°C干燥，將黑色沉淀置于馬弗爐中900°C熱處理2h(氬氣氣氛)，得前驅(qū)體A。前驅(qū)體形貌如圖2所示。
[0032](4)將Al2O3粉和MgO按質(zhì)量比9:1在無(wú)水乙醇中混合后置于行星式球磨機(jī)球磨10h，制得Al2O3漿料B。
[0033](5)將前驅(qū)體A置于漿料B中(質(zhì)量比A:B = 1:99)，超聲30min后機(jī)械攪拌5h，60°C干燥制得預(yù)混料；將預(yù)混料研磨后置于40mmX 30mm模具中，之后于模壓機(jī)下20MPa保壓3min，得到陶瓷坯體。
[0034](6)將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫至500°C，保溫2h，除掉碳，然后升溫至1500°C，保溫2h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，制得多孔氧化鋁陶瓷；圖3為陶瓷斷面形貌，圖4為陶瓷制品物相，有氧化鋁和鎂鋁尖晶石兩相。
[0035]將試樣加工成Φ = 12.6mm的圓片測(cè)量其熱導(dǎo)率及平均密度。測(cè)得多孔氧化鋁陶瓷的平均密度為3.33g/cm3，閉氣孔率為14.2%，開氣孔率為1%，試樣在1000°C下熱導(dǎo)率為 3.9ff/ (m.K)。
[0036]實(shí)施實(shí)例2:
[0037](I)將3g的Al2 (SO4)3.18H20和5g的葡萄糖溶解于80mL去離子水中，攪拌至無(wú)色透明溶液，置于10mL水熱反應(yīng)爸中。
[0038](2)將三組密封后的水熱反應(yīng)釜置于鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至180°C，保溫時(shí)間分別為16h、20h和24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。
[0039](3)打開水熱反應(yīng)釜，產(chǎn)物通過(guò)抽濾收集，然后分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次；將收集產(chǎn)物于干燥箱中60°C干燥得到前驅(qū)體A。
[0040](4)將Al2O3粉、MgO和T12按質(zhì)量比95:4:1在無(wú)水乙醇中混合后置于行星式球磨機(jī)球磨10h，制得Al2O3漿料B。
[0041](5)將前驅(qū)體A置于漿料B中(質(zhì)量比A:B= 1:99)，超聲30min后機(jī)械攪拌5h，60°C干燥制得預(yù)混料；將預(yù)混料研磨后置于40mmX 30mm模具中，之后于模壓機(jī)下20MPa保壓3min，得到陶瓷坯體。
[0042](6)將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫至500°C，保溫2h，除掉碳，然后升溫至1450°C，保溫3h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，制得多孔氧化鋁陶瓷。
[0043]實(shí)施實(shí)例3:
[0044](I)將2g的Al (NO3) 3.9H20和5g的葡萄糖溶解于60mL去離子水中，攪拌至無(wú)色透明溶液，置于10mL水熱反應(yīng)爸中。
[0045](2)將密封后的水熱反應(yīng)釜置于鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至160°C，保溫24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。
[0046](3)打開水熱反應(yīng)釜，產(chǎn)物通過(guò)抽濾收集，然后分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次；將收集產(chǎn)物于干燥箱中60°C干燥得到黑色沉淀；將黑色沉淀置于馬弗爐中1200°C熱處理2h (氬氣氣氛)，得前驅(qū)體A。
[0047](4)將Al2O3粉、MgO和T12按質(zhì)量比90:9:1在無(wú)水乙醇中混合后置于行星式球磨機(jī)球磨10h，制得Al2O3漿料B。
[0048](5)將前驅(qū)體A置于漿料B中(質(zhì)量比A:B= 10:90)，超聲30min后機(jī)械攪拌5h，60°C干燥制得預(yù)混料；將預(yù)混料研磨后置于40mmX 30mm模具中，于模壓機(jī)下1MPa保壓3min，之后冷等靜壓200MPa，保壓2min，得到陶瓷坯體。
[0049](6)將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫至500°C，保溫2h，除掉碳，然后升溫至1400°C，保溫5h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，制得多孔氧化鋁陶瓷。
[0050]將試樣加工成Φ = 12.6mm的圓片測(cè)量其熱導(dǎo)率及氣孔率。測(cè)得多孔氧化鋁陶瓷的閉氣孔率為58%，開氣孔率為1.7%，試樣熱導(dǎo)率為0.1ff/(m*K)0
[0051]實(shí)施實(shí)例4:
[0052](I)將2g的Al (NO3)3.9H20和5g的葡萄糖溶解于70mL去離子水中，攪拌至無(wú)色透明溶液，置于10mL水熱反應(yīng)爸中。
[0053](2)將密封后的水熱反應(yīng)釜置于鼓風(fēng)干燥箱中，升溫至180°C，保溫24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫。
[0054](3)打開水熱反應(yīng)釜，產(chǎn)物通過(guò)抽濾收集，然后分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次；將收集產(chǎn)物于干燥箱中60°C干燥得到前驅(qū)體A。
[0055](4)將Al2O3粉、MgO和T12按質(zhì)量比90:9:1在無(wú)水乙醇中混合后置于行星式球磨機(jī)球磨10h，制得Al2O3漿料B。
[0056](5)將前驅(qū)體A置于漿料B中(質(zhì)量比A:B = 1:99)，超聲分散lh，60°C干燥制得預(yù)混料；將預(yù)混料研磨后置于40mmX 30mm模具中，于模壓機(jī)下1MPa保壓3min,冷等靜壓250MPa保壓2min，得到陶瓷坯體。
[0057](6)將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫至1500°C，保溫3h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，制得多孔氧化鋁陶瓷。
【權(quán)利要求】
1.一種閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:將鋁鹽和葡萄糖按質(zhì)量比2/5?3/5溶解于去離子水中，成無(wú)色透明溶液，溶液濃度為0.4mol/L;將溶液密封于高壓反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)膽填充度為60% -80%，升溫至160°C?180°C，保溫16h?24h，反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫得到沉淀產(chǎn)物； 步驟2:將沉淀產(chǎn)物置于馬弗爐中，氬氣氣氛保護(hù)，升溫至900?1200°C，保溫2?4h后隨爐冷卻，得到Al2O3OC核殼結(jié)構(gòu)粉體； 步驟3:將a -Al2O3粉和燒結(jié)助劑混合球磨10_24h后得到漿料，其中燒結(jié)助劑為兩者總量的5?10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；將超聲分散處理后的Al2O3OC粉體加入漿料中，其中Al2O3OC粉體為兩者總量的I?10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；機(jī)械攪拌5?10h，制得預(yù)混料；將預(yù)混料干燥后研磨，置于模具中通過(guò)軸向模壓和冷等靜壓壓制成型，得到陶瓷坯體，其中軸向模壓和冷等靜壓的壓力分別為10-20MPa和200-250MPa ； 步驟4:將陶瓷坯體置于馬弗爐中，升溫速度2?5°C /min，燒結(jié)溫度為1400?1500°C，保溫時(shí)間為2-5h，保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，得到閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于:所述鋁鹽為 Al (NO3) 3.9H20 或 Al2 (SO4) 3.18H20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于:所述燒結(jié)助劑為氧化鎂或氧化鎂和氧化鈦的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于:所述氧化鎂的粒徑為0.1?5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于:所述氧化鈦為金紅石型物相，粒徑為0.1-1 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述閉孔型多孔氧化鋁隔熱陶瓷的制備方法，其特征在于:所述a -Al2O3的氧化招粉的粒徑為0.1-5 μ m。
【文檔編號(hào)】C04B35/10GK104446635SQ201410627847
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】殷小瑋, 韓美康, 成來(lái)飛, 任颯 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)