專利名稱：原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔陶瓷材料領(lǐng)域，尤其涉及一種原位合成的莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、工業(yè)化進程加快，環(huán)境污染問題凸顯。大量工業(yè)三廢排放， 尤其是工業(yè)高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒的排放已成為城市污染的罪魁禍首。因此， 開展高溫煙氣過濾、催化技術(shù)的研究和開發(fā)，減少固體顆粒及有毒氣體的排放成為節(jié)能減排、環(huán)境保護工程中的重要一環(huán)。高溫過濾體材料除了需要具有耐高溫和耐腐蝕之外，還需要具有一定的孔隙度、強度和優(yōu)良的抗熱震性。多孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學介質(zhì)腐蝕等特點是作為高溫流體分離與凈化的最佳選擇。鈦酸鋁(Al2TiO5)是目前已知低膨脹材料中耐高溫性能最好的陶瓷材料之一，它的熔點高(I860士 I(TC)、熱膨脹系數(shù)小(< 1.5X10_6/°C)，具有較強的抗熱震能力、良好的耐蝕性、抗渣性、耐堿性和對多種金屬及玻璃不浸潤的性質(zhì)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如作為高溫防腐蝕涂層、高溫抗氧化涂層以及高溫合金的熱障涂層的應(yīng)用；作為耐火材料、結(jié)構(gòu)材料在鋼鐵、金屬冶煉以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用?；贏l2TiO5的優(yōu)良低膨脹性和高溫性能，其多孔陶瓷材料制品將是工業(yè)高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒過濾凈化用載體材料的理想選擇。但是由于鈦酸鋁存在燒結(jié)強度低，且在750 1300°C溫度內(nèi)易分解，導致膨脹系數(shù)增大失去優(yōu)良抗熱震性兩大致命缺陷，嚴重影響其實際應(yīng)用。在鈦酸鋁多孔陶瓷材料的應(yīng)用方法，近年來人們也做了一些工作，通過氧化鐵、氧化鎂、氧化鋯。氧化鋁等粉體的摻雜，可以有效地抑制鈦酸鋁的分解，并且通過添加不同的造孔劑，制備了各種復合鈦酸鋁多孔陶瓷材料。但是現(xiàn)有的鈦酸鋁多孔陶瓷材料制備工藝復雜，且要額外加入造孔劑，由于造孔劑與原料粉體的比重差別較大，很難混合均勻，從而造成孔徑分布不均勻，且燒結(jié)強度低，影響了產(chǎn)品性能的均勻性及實際應(yīng)用。有研究表明 SiC晶須、氧化鋁纖維以及莫來石纖維可以有效提高鈦酸鋁復合材料的強度，但是由于SiC 晶須、氧化鋁纖維或莫來石纖維多采用外加的方法，很難實現(xiàn)晶須或纖維在鈦酸鋁基體中均勻分散，從而降低了其增強效果及材料性能的均勻性。與本發(fā)明相近的技術(shù)是，中國專利公開號CN101607830公開了一種纖維增強鈦酸鋁復合材料以及制品的制備方法，它直接以α-Al2O3和鈦黃粉為原料采用反應(yīng)燒結(jié)法合成鈦酸鋁，并在配合料中加入防止鈦酸鋁分解的穩(wěn)定劑和起增強作用的莫來石纖維，在球磨機中濕法球磨后真空注漿成型，干燥后燒成制得。這種復合材料雖然膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定好；但存在以下缺陷一是由于它的莫來石纖維是直接外加的，不是反應(yīng)自生的，所以不利于纖維均勻分散；二是它屬于致密陶瓷燒結(jié)體，并不是鈦酸鋁多孔材料，無法滿足工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理用載體材料的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有鈦酸鋁多孔陶瓷材料中孔徑分布不均，強度低的問題，提供一種原位合成自生莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，以滿足工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理用載體材料的要求。本發(fā)明同時提供一種這種材料的制備方法。為達到上述目的，本發(fā)明的多孔陶瓷材料是在鈦酸鋁基體材料中均勻穿插有原位合成的自生莫來石晶須增強相，莫來石在體系中的質(zhì)量百分比為10 40%，自生莫來石晶須的長度為5 20 μ m ；這種多孔陶瓷材料的空隙率為37 60%，抗壓強度IOMPa 48MPa0本發(fā)明的多孔陶瓷材料進一步講，是以由擬薄水鋁石或α -氧化鋁與二氧化鈦和穩(wěn)定劑通過一步合成法直接反應(yīng)合成的鈦酸鋁作為基體材料，以由擬薄水鋁石或α -氧化鋁與硅微粉以及氟化鋁通過原位反應(yīng)合成的莫來石晶須作為增強相。上述各組分的重量百分比為α -氧化鋁6 M%，擬薄水鋁石38 Μ%，二氧化鈦23 32 %，硅微粉2 10 %，氟化鋁2 3 %，穩(wěn)定劑3 %，所述的穩(wěn)定劑由氧化鎂和氧化鐵復合組成，氧化鎂與氧化鐵能夠與鈦酸鋁形成穩(wěn)定的固溶體，起到抑制鈦酸鋁分解的作用。優(yōu)選地，所述穩(wěn)定劑中氧化鐵的重量百分比為20 50%，氧化鎂的重量百分比為 50-80%。上述各原料純度以重量百分比計為α -氧化鋁彡99%，二氧化鈦彡98%，硅微粉彡97%，氟化鋁> 98%，氧化鎂> 99%，氧化鐵> 99%。本發(fā)明中涉及的原位合成莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料制備方法如下它是以上述α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、硅微粉為主要原料，并添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩(wěn)定劑，粉體原料直接濕法球磨混合后，干燥造粒，采用干壓成型，通過一步法直接原位合成的。上述制備方法的詳細步驟為第一步首先將α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、硅微粉、氟化鋁、氧化鐵、氧化鎂原料粉體按上述配比要求加入到行星球磨機中混合，混合料、球、水的重量百分比為 1 (1. 5 2. 5) (0. 6 0. 9)；混合時間為0. 5 2個小時；第二步將球磨好的漿料進行噴霧干燥并造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒。將復合粉體按照不同粒度比混料，40目和60目粗細顆粒粒徑比控制在 (1 2) 1，加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為40ΜΙ^ 80MPa，脫模后樣品在 110°C烘干至水分重量含量不大于；第三步烘干后的樣品在1400 1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為1 3小時后可獲得自生莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用原位合成莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料， 工藝簡單，不需添加造孔劑，且由于莫來石晶須是原位合成，分散均勻，晶須穿插于多孔陶瓷材料的空隙之間，很好的起到了對鈦酸鋁多孔陶瓷的增強作用，為實現(xiàn)鈦酸鋁多孔陶瓷材料在工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。本發(fā)明所制得的莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料熱膨脹系數(shù)小，強度高，孔隙率為37 60%、氣孔孔徑分布均勻，熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，可以用于陶瓷濾膜支撐體、工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理用的載體材料。


圖1是采用本發(fā)明所合成多孔陶瓷材料的X-射線粉末衍射圖譜。圖2是采用本發(fā)明所制備多孔陶瓷材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。實施例1 以莫來石含量占總質(zhì)量的質(zhì)量百分比為10%進行配料首先按下述比例稱取原料α -氧化鋁6 %，擬薄水鋁石M %，二氧化鈦32 %，硅微粉2 %，氟化鋁3 %，穩(wěn)定劑3 %，將上述原料粉體加入到行星球磨機中混合，混合料、球、水的重量百分比為1 2 0.8，混合時間為2個小時。將球磨好的漿料進行噴霧干燥造粒， 分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒。將復合粉體按照粗細顆粒粒徑大小重量比1 1混料，并加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為40MPa，脫模后樣品在 110°C烘干至水分含量不大于1%。烘干后的樣品在1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為 1小時，制得莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫來石晶須的長度為 5 20 μ m，材料的抗壓強度為18Mpa，孔隙率為49%。實施例2 以莫來石含量占總質(zhì)量的質(zhì)量百分比為40%進行配料首先按下述比例稱取原料α -氧化鋁M %，擬薄水鋁石38 %，二氧化鈦23 %，硅微粉10%，氟化鋁2%，穩(wěn)定劑3%，其中，將上述原料粉體加入到行星球磨機中混合，混合料、 球、水的重量百分比為1 2.5 0.9，混合時間為1個小時。將球磨好的漿料進行噴霧干燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒，將復合粉體按照40目、60目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，并加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為40MPa，脫模后樣品在110°C烘干至水分含量不大于1%。烘干后的樣品在1450°C溫度下進行燒成，保溫時間為2小時，制得莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫來石晶須的長度為5 15 μ m，材料的孔隙率為55%，抗壓強度為15Mpa。實施例3 莫來石含量占總質(zhì)量的質(zhì)量百分比為20%進行配料首先按下述比例稱取原料α -氧化鋁11%，擬薄水鋁石50 %，二氧化鈦四％，硅微粉5%，氟化鋁2%，穩(wěn)定劑3%，其中將上述原料粉體加入到行星球磨機中混合，混合料、 球、水的重量百分比為1 1.5 0.8，混合時間為0.5個小時。將球磨好的漿料進行噴霧干燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒，將復合粉體按照40目、60 目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，并加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為80MPa， 脫模后樣品在110°C烘干至水分含量不大于1%。烘干后的樣品在1400°C溫度下進行燒成， 保溫時間為2小時，制得莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫來石晶須的長度為5 10 μ m，材料的孔隙率為37%，抗壓強度為48Mpa。實施例4 以莫來石含量占總質(zhì)量的質(zhì)量百分比為10%進行配料首先按下述比例稱取原料α -氧化鋁6 %，擬薄水鋁石M %，二氧化鈦32 %，硅微粉2 %，氟化鋁3 %，穩(wěn)定劑3 %，其中，將上述原料粉體加入到行星球磨機中混合，混合料、 球、水的重量百分比為1 1.5 0.8，混合時間為1個小時。將球磨好的漿料進行噴霧干燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒，將復合粉體按照40目、60目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，并加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為60MPa，脫模后樣品在110°C烘干至水分含量不大于1%。烘干后的樣品在1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為3小時，制得莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫來石晶須的長度為5 20 μ m，材料的孔隙率為41 %，抗壓強度為44Mpa。本發(fā)明中抗壓強度的檢測依據(jù)國標GB/T 1964-1996《多孔陶瓷性能試驗方法》，上述孔隙率的檢測依據(jù)國標GB/T 1966-1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法》。本發(fā)明多孔陶瓷材料的X-射線粉末衍射圖譜和掃描電鏡照片分別見圖1和圖2。 由X-射線粉末衍射分析可知材料的主晶相為鈦酸鋁和莫來石，圖2中顆粒為鈦酸鋁基體， 晶須為自生莫來石晶須，從圖2中可以看出，莫來石晶須均勻分散于鈦酸鋁為基體的多孔陶瓷材料中，并且晶須主要穿插于多孔陶瓷材料的空隙之間，對孔洞起到很好的支撐，實現(xiàn)了對鈦酸鋁多孔陶瓷的增強作用。
權(quán)利要求
1.一種原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料，其特征在于，它是在鈦酸鋁基體材料中均勻穿插有原位合成的自生莫來石晶須增強相，莫來石在體系中的質(zhì)量百分比為 10 40 %，自生莫來石晶須的長度為5 20 μ m ；這種多孔陶瓷材料的空隙率為37 60 %， 抗壓強度IOMPa 48MPa。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔陶瓷材料，其特征在于，它是以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與二氧化鈦和穩(wěn)定劑通過一步合成法直接反應(yīng)合成的鈦酸鋁作為基體材料，以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與硅微粉以及氟化鋁通過原位反應(yīng)合成的莫來石晶須作為增強相。
3.如權(quán)利要求2所述的多孔陶瓷材料，其特征在于，所述的各組分的重量百分比為 α -氧化鋁6 ，擬薄水鋁石38 ，二氧化鈦23 32%，硅微粉2 10%，氟化鋁2 3%，穩(wěn)定劑3%，所述的穩(wěn)定劑由氧化鎂和氧化鐵復合組成。
4.如權(quán)利要求3所述的多孔陶瓷材料，其特征在于，所述穩(wěn)定劑中氧化鐵的重量百分比為20 50%，氧化鎂的重量百分比為50-80%。
5.如權(quán)利要求3或4所述的多孔陶瓷材料，其特征在于，上述各原料純度以重量百分比計含量為4-氧化鋁> 99%，二氧化鈦> 98%，硅微粉> 97%，氟化鋁> 98%，氧化鎂彡99%，氧化鐵彡99%。
6.一種如權(quán)利要求1-4任一所述的多孔陶瓷材料的制備方法，其特征在于，它是以 α -氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、硅微粉為主要原料，并添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩(wěn)定劑，粉體原料直接濕法球磨混合后，干燥造粒，采用干壓成型，通過一步法直接原位合成的。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，詳細制備步驟如下第一步首先將α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、硅微粉、氟化鋁、氧化鐵、氧化鎂原料粉體按照配比要求加入到行星球磨機中混合，混合料、球、水的重量百分比為1 (1.5 2. 5) (0. 6 0. 9)；混合時間為0. 5 2個小時；第二步將球磨好的漿料進行噴霧干燥并造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的復合粉體顆粒。將復合粉體按照不同粒度比混料，40目和60目粗細顆粒粒徑比控制在(1 2) 1，加入到金屬模具中進行干壓成型，成型壓力為40ΜΙ^ 80MPa，脫模后樣品在110°C 烘干至水分重量含量不大于；第三步烘干后的樣品在1400 1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為1 3小時后可獲得自生莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料。
8.如權(quán)利要求1-4任一所述的多孔陶瓷材料在陶瓷濾膜支撐體、工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理方面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及制備方法，它是以α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、硅微粉為主要原料，并添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩(wěn)定劑，粉體原料直接濕法球磨混合后，干燥造粒，采用干壓成型，通過一步法直接原位合成的，合成后的多孔陶瓷材料是在鈦酸鋁基體材料中均勻穿插有原位合成的自生莫來石晶須增強相。由于莫來石晶須是原位合成，晶須均勻穿插于多孔陶瓷材料的空隙之間，很好的起到了對鈦酸鋁多孔陶瓷的增強作用，本發(fā)明為實現(xiàn)鈦酸鋁多孔陶瓷材料在工業(yè)高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
文檔編號C04B38/00GK102584313SQ20111046179
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者崔洪芝, 張智慧, 徐國綱, 曾榮昌, 阮國智 申請人:山東科技大學