一種熱壓有機(jī)粘土原位制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法，具體地說涉及一種熱壓有機(jī)粘土原位制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粘土一般由硅鋁酸鹽礦物在地球表面風(fēng)化后形成，由多種水合硅酸鹽和一定量的氧化鋁、堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物組成，并含有石英、長石、云母等雜質(zhì)，是一種重要的礦物原料。我國粘土種類豐富，粘土資源繁多。粘土陶瓷是一類多以硅酸鹽粘土礦物為原料的陶瓷材料，價(jià)格低廉，目前廣泛應(yīng)用于日用陶瓷。然而，粘土陶瓷由于其韌性差，很大程度上影響了材料性能的可靠性和一致性。近些年來，研宄者們著眼于陶瓷基復(fù)合材料，希望通過以纖維、晶須、晶片或顆粒為補(bǔ)強(qiáng)體，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝制備陶瓷基復(fù)合材料，來解決陶瓷韌性差的問題。然而固相補(bǔ)強(qiáng)體在陶瓷基體中分散不均勻，且燒結(jié)工藝復(fù)雜，因此目前很少有報(bào)道通過熱壓有機(jī)粘土原位制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在提供一種熱壓有機(jī)粘土原位制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法，所要解決的技術(shù)問題是通過熱壓有機(jī)改性粘土，制備陶瓷/碳復(fù)合材料，改善傳統(tǒng)陶瓷的抗彎強(qiáng)度，賦予粘土陶瓷的功能性，拓寬其應(yīng)用范圍。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明熱壓有機(jī)粘土原位制備陶瓷/碳復(fù)合材料的方法，其特點(diǎn)在于:
[0006]本發(fā)明有機(jī)粘土可選用凹凸棒石粘土(PG)及蒙脫石粘土(MMT)。
[0007]當(dāng)選用凹凸棒石粘土(PG)時(shí)，按如下步驟制備制備陶瓷/碳復(fù)合材料:
[0008]al、將凹凸棒石粘土粉碎并過200目篩，得到凹凸棒石粉料；
[0009]a2、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt.% -30wt.%的乙酰胺溶液，將凹凸棒石粉料以1:20的固液比浸漬于乙酰胺溶液中，常溫電動(dòng)攪拌混合80h，使分散均勻，待攪拌結(jié)束后離心、干燥，獲得乙酰胺改性凹凸棒石粉末；
[0010]a3、將步驟a2中得到的乙酰胺改性凹凸棒石粉末研磨并過200目篩后置于石墨模具中，在1000°C下熱壓，熱壓結(jié)束脫模得到凹凸棒石基陶瓷/碳復(fù)合材料。
[0011]當(dāng)選用凹凸棒石粘土(PG)時(shí)，按如下步驟制備制備陶瓷/碳復(fù)合材料:
[0012]bl、將蒙脫石粘土粉碎并過200目篩，得到蒙脫石粉料；
[0013]b2、將蒙脫石粉料以1:20的固液比浸漬于十八烷基三甲基氯化銨(OTAC)溶液中，80°C電動(dòng)攪拌混合2h，使分散均勻，待攪拌結(jié)束后離心、干燥，獲得烷基銨改性蒙脫石粉末；在十八烷基三甲基氯化銨溶液中十八烷基三甲基氯化銨的添加量為每240mL水中添加0.lg-0.5g ；
[0014]b3、將步驟b2中得到的烷基銨改性蒙脫石粉末研磨并過200目篩后置于石墨模具中，在KKKTC下熱壓，熱壓結(jié)束脫模得到蒙脫石基陶瓷/碳復(fù)合材料。
[0015]其中，步驟a3和步驟b3中熱壓的具體過程為:Ar氣保護(hù)下，首先在無壓下，將溫度從室溫經(jīng)Ih升溫至300°C ;然后在18MPa壓力下，從300°C經(jīng)Ih升溫至700°C，隨后繼續(xù)在18MPa壓力下繼續(xù)升溫Ih至1000°C后，保溫30min，保溫結(jié)束后，立即將壓力卸載，并自然降溫至室溫。
[0016]與現(xiàn)有陶瓷制備技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0017]I)、燒結(jié)溫度較低、工藝快速簡單、成本低:本發(fā)明以凹凸棒石粘土或蒙脫石粘土作原料，通過有機(jī)改性制備有機(jī)粘土后，在1000°c下熱壓制備陶瓷/碳復(fù)合材料；相對(duì)于目前先合成碳材料(碳納米管、碳纖維等)，再將碳材料分散于陶瓷前驅(qū)體中的工藝而言，原位熱壓過程一步完成，工藝簡單；碳在熱壓過程中原位生成保證了材料的均一性；熱壓保證了材料的致密化；制備溫度較低。
[0018]2)、本發(fā)明設(shè)計(jì)制備熱壓不同種類、含量的有機(jī)物改性天然粘土礦物，熱壓過程中原位生成陶瓷/碳復(fù)合材料，碳均勻分布于陶瓷基體中，有效提高了陶瓷強(qiáng)度；乙酰胺改性凹凸棒石后熱壓強(qiáng)度為lOOMPa，比熱壓未改性凹凸棒石提高了 33% ;烷基銨改性蒙脫石后熱壓強(qiáng)度為llOMPa，比熱壓未改性蒙脫石強(qiáng)度提高了 124% ;碳與陶瓷的同步原位生成，既避免了第二相碳在陶瓷基體中的不均勻分布，也增強(qiáng)了陶瓷的力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0019]圖1為熱壓有機(jī)粘土制備的陶瓷/碳復(fù)合材料的拉曼光譜圖，其中a為實(shí)施例2所制備的樣品HP-PG-ace-15，b為實(shí)施例4所制備的樣品HP-MMT-0TAC-0.3 ;兩幅圖中均出現(xiàn)石墨碳的D峰(ΠδΟαιΓ1)及G峰(ΙδδΟαιΓ1)，說明有機(jī)物在粘土基體中成功原位碳化。
[0020]圖2為熱壓粘土及有機(jī)粘土制備的陶瓷及陶瓷/碳復(fù)合材料的XRD圖譜，從該圖中看出凹凸棒石在1000°c下熱壓形成了頑輝石陶瓷，蒙脫石在1000°C下熱壓后主要的晶相組成為莫來石、堇青石陶瓷。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的制備過程做詳細(xì)說明。為了便于比較，對(duì)未改性的凹凸棒石及蒙脫石粘土也采用同樣的熱壓工藝。
[0022]實(shí)施例1 (HP-PG-ace_30)
[0023]本實(shí)施例以凹凸棒石粘土為原料，按如下步驟制備陶瓷/碳復(fù)合材料:
[0024]al、將凹凸棒石粘土粉碎并過200目篩，得到凹凸棒石粉料；
[0025]a2、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt.%的乙酰胺溶液240ml，稱取12g凹凸棒石粉料置于該乙酰胺溶液中，常溫下電動(dòng)攪拌混合80h后，離心、60°C干燥12小時(shí)，獲得乙酰胺改性凹凸棒石粉末；
[0026]a3、將步驟a2中得到的乙酰胺改性凹凸棒石粉末研磨并過200目篩后，稱取7g置于石墨模具中，共同放入熱壓爐；Ar氣保護(hù)下，首先在無壓下，將溫度從室溫經(jīng)Ih升溫至300°C;然后在18MPa壓力下，從300°C經(jīng)Ih升溫至700°C，隨后繼續(xù)在18MPa壓力下繼續(xù)升溫Ih至1000 C后，保溫30min，保溫結(jié)束后，立即將壓力卸載，并自然降溫至室溫。
[0027]溫度降至室溫后，打開熱壓爐，取出模具，脫模得到凹凸棒石基陶瓷/碳復(fù)合材料(HP-PG-ace-30)。
[0028]通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試得該凹凸棒石基陶瓷/碳復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為92MPa，彈性模量為62GPa。阿基米德排水法測(cè)得的密度為2.29g/cm3，孔隙率為7.01 %。
[0029]實(shí)施例2(HP-PG-ace_l5)
[0030]本實(shí)施例按實(shí)施例1相同的方式制備制備陶瓷/碳復(fù)合材料，區(qū)別僅在于步驟a2中乙酰胺溶液質(zhì)量份數(shù)為15wt.%。所得凹凸棒石基陶瓷/碳復(fù)合材料命名為HP-PG-ace-15。
[0031]通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試得該凹凸棒石基陶瓷/碳復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為lOOMPa，彈性模量為63GPa。阿基米德排水法測(cè)得的密度為2.44g/cm3，孔隙率為8.86%。
[0032]實(shí)施例3 (HP-MMT-0TA