一種氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于泡沫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫陶瓷是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發(fā)展起來的第三代多孔陶瓷制品。根據(jù)氣孔在其中的排列方式可以將其分為開孔(網(wǎng)狀)及閉孔泡沫陶瓷。泡沫陶瓷除了具有耐高溫、耐腐蝕等傳統(tǒng)陶瓷所具有的優(yōu)異性能外，同時(shí)還具有其獨(dú)特的優(yōu)異性能，如低密度、高氣孔率、比表面積大等。泡沫陶瓷的材料種類多樣，不同的使用領(lǐng)域?qū)ζ湫阅芤笠膊煌虼艘查_發(fā)出不同的制備技術(shù)。
[0003]Schwartzwalder等在1963年第一次提出有機(jī)泡沫浸漬工藝，該法是將制備好的陶瓷料漿均勻地涂覆在具有開孔三維網(wǎng)狀骨架的有機(jī)泡沫體上，干燥后燒掉有機(jī)泡沫體并使陶瓷體致密，從而獲得具有很高氣孔率的泡沫陶瓷。專利號(hào)為CN 104193396A公開了一種采用聚氨酯海綿浸漬漿料制備泡沫陶瓷的方法。采用這種方法制備的泡沫陶瓷為開孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度不高，主要應(yīng)用于熔融金屬過濾器、消音材料等領(lǐng)域，無法作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用。
[0004]專利號(hào)CN102515820A公開了一種采用凝膠注模法制備莫來石泡沫陶瓷的方式，通過制備低粘度、高固相體積分?jǐn)?shù)的濃懸浮體，并使有機(jī)單體聚合形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而獲得高強(qiáng)度、均勻性好的坯體。由于其使用了具有神經(jīng)毒性的單體-丙烯酰胺，其工業(yè)應(yīng)用便一定程度地受到了限制。在制備過程中由于氧阻聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重，干燥后的坯體與空氣接觸的部位會(huì)出現(xiàn)1mm左右的松散層，即所謂“起皮”現(xiàn)象。因此防止表面起皮，保證表面質(zhì)量，需氮?dú)獗Ｗo(hù)，使制備工藝復(fù)雜。此外，在已發(fā)表的論文“叔丁醇基凝膠注模成型制備氧化鋁多孔陶瓷”中，采用低表面張力的叔丁醇-水作凝膠注模成形的溶劑。但有機(jī)溶劑的揮發(fā)會(huì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生危害。
[0005]專利號(hào)CN 104311118A公開了一種采用冷凍干燥法制備泡沫陶瓷的方式，將一定含水量的漿料在低溫下冷凍，使?jié)衽黧w中的水結(jié)冰，控制晶體冰單向生長，然后減壓干燥處理，使冰升華而留下孔隙，坯體中形成定向排布的孔結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)燒結(jié)得到多孔陶瓷。其中干燥設(shè)備昂貴，且生產(chǎn)效率低、成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁基閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，制備得到的泡沫陶瓷性能穩(wěn)定，熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，其使用溫度< 1700°C，抗壓強(qiáng)度為lOMPa?13MPa，加熱永久線收縮(1600°CX 24h)〈1.5%，1000°C熱面導(dǎo)熱系數(shù)為0.30-0.50ff/m.K，體積密度為1.0?1.3g/cm3，氣孔率為70?80%;其化學(xué)組成中Α?2θ3含量? 75wt%，Zr02含量< 20wt%;泡沫陶瓷的主晶相為基體的α-Α?2θ3和增強(qiáng)體的C-Z02。
[0008]一種氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，包括以下步驟:
(1)制備濃懸浮體漿料
按重量配比，取C-Zr02短纖維10?15wt%，a-Al203粉體50?60wt%，造孔劑1~2%，流變劑0?lwt%，粘結(jié)劑15-20wt%，燒結(jié)助劑2?3wt%，充分混合攪拌，得到具有低粘度、高固含量的濃懸浮體漿料；
(2)制備泡沫陶瓷生坯
在濃懸浮體漿料中加入3?5的％的發(fā)泡劑，0?1的％的穩(wěn)泡劑，于70?80°C下加熱攪拌30?60s直至漿料發(fā)泡，再加入0?1被％的引發(fā)劑，繼續(xù)加熱攪拌1?2min，至引發(fā)凝膠反應(yīng)，將上述漿料快速注入預(yù)成型無孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱中在70?75°C下養(yǎng)護(hù)0.5?lh，待坯體固化后脫模，再放入鼓風(fēng)干燥烘箱中于80?90°C下干燥4?5h，得到生坯；
(3)高溫?zé)Y(jié)成形
將生坯置于馬弗爐中，以3°C/min的升溫速率從100±10°C升溫至900±50°C，保溫50?70min，再以5°C/min從900±50°C升溫至1600?1650°C，并保溫100?120min，隨爐冷卻后經(jīng)機(jī)加工處理，得到所述的泡沫陶瓷。
[0009]步驟(1)中，所述造孔劑為硫酸鈣或石墨粉中的一種或其混合物，流變劑為羧甲基纖維素或羧甲基纖維素鈉中的一種或其混合物，粘結(jié)劑為鋯溶膠或鋁溶膠中的一種或其混合物，燒結(jié)助劑為高嶺土或膨潤土中的一種或其混合物。
[0010]進(jìn)一步的，鋁溶膠的制備工藝如下:將無水A1C13溶于水與A1微粉按照摩爾比1:5，置于反應(yīng)釜中，于90?100°C下加熱回流2?3h后，過濾得到鋁溶膠。
[0011 ]進(jìn)一步的，鋯溶膠的制備工藝如下:將堿式碳酸鋯溶于冰醋酸與水的混合溶液中，再將醋酸釔混合，并攪拌至澄清，得到鋯溶膠，其中，堿式碳酸鋯與醋酸釔的摩爾比1:0.174ο
[0012]步驟(1)中，c-Zr02短纖維的制備工藝如下:將氧化鋯凝膠纖維置于馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從100°C升溫至500?600°C，并保溫0.5?lh，隨爐冷卻后再破碎成3~5mm的短纖維。
[0013]步驟(2)中，所述發(fā)泡劑為雙氧水或十二烷基硫酸三乙醇胺中的一種或其混合物，穩(wěn)泡劑為十二烷基三甲基溴化銨，引發(fā)劑為聚丙烯酰胺或氯化銨中的一種或其混合物。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)采用氧化鋯纖維作為陶瓷增強(qiáng)體，利用纖維的拔出、橋聯(lián)，裂紋的偏轉(zhuǎn)等增強(qiáng)手段，提高了泡沫陶瓷的斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度。
[0015](2)鋁溶膠等物質(zhì)與燒結(jié)助劑在高溫下形成的一些低熔點(diǎn)物質(zhì)，如莫來石等室溫時(shí)能夠有效地減少泡沫陶瓷的掉渣和粉化。
[0016](3)采用反應(yīng)產(chǎn)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，在氣泡合并長大、泡沫坍塌之前，快速固化制得陶瓷生坯，氣孔率高且氣孔分布均勻，提高了泡沫陶瓷的保溫隔熱性能。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所述的氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷的實(shí)物圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0019]實(shí)施例1:
取100g堿式碳酸鋯粉(Zr02含量2 40%)溶于40ml冰乙酸和60g蒸餾水中，并加入16.lg的醋酸釔(Y(Ac)3.3H20)，攪拌3~4h至澄清，得到氧化鋯溶膠。
[0020]將氧化鋯凝膠纖維置于馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從100°C升溫至500?600°C，并保溫0.5?1.0h，使凝膠纖維完全碳化，隨爐冷卻后再破碎成3~5mm的短纖維。
[0021 ] 取10wt%c_Zr02短纖維和60wt%的α-Α?2θ3粉體，并加入石墨粉2wt%，羧甲基纖維素lwt%，氧化錯(cuò)溶膠20wt%，高嶺土 2wt%，充分混合攪拌，得到具有低粘度、高固含量的濃懸浮體漿料。加入3wt%的十二烷基硫酸三乙醇胺和1 wt%的十二烷基三甲基溴化銨，于70?80°C下加熱攪拌30?60s直至漿料發(fā)泡，再加入lwt%的聚丙烯酰胺溶液，繼續(xù)加熱攪拌1?2min，至引發(fā)凝膠反應(yīng)。
[0022]將上述漿料注入預(yù)成型無孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱中在75°C下養(yǎng)護(hù)0.5h。待坯體固化后脫模，再放入鼓風(fēng)干燥烘箱中85°C干燥4h，得到生坯。生坯以3°C/min的從100°C升溫至900±50°C，保溫50~70min，再以5°C/min從900±50°C升溫至1600?1650°C，并保溫100?120min，隨爐冷卻后經(jīng)機(jī)加工處理，得到氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，如圖1所示。
[0023]燒結(jié)過程的升溫速率如果過高會(huì)導(dǎo)致材料的開裂、變形，如果過低會(huì)減緩晶粒之間的致密化進(jìn)程，降低制品的性能，且耗電量增加。經(jīng)過多次試驗(yàn)，采用本實(shí)施例中的燒結(jié)工藝更為合理。目的是在低溫階段有機(jī)物所產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體緩慢從陶瓷基體中逸出，形成泡沫狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)使陶瓷基體不會(huì)因內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生微裂紋等缺陷，保證了泡沫陶瓷的強(qiáng)度。
[0024]采用上述制法制得的氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，主晶相為氧化鋯纖維的c-Zr02和基體的α-Α1203。有機(jī)物等在高溫反應(yīng)后已經(jīng)完全汽化，樣品中主要元素為鋁、鋯、氧及其他一些微量元素。該氧化鋯纖維增強(qiáng)的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷的體積密度約為1.0g/cm3，氣孔率約為80%，1000°C熱面導(dǎo)熱系數(shù)約為0.30 W/m‘k，加熱永久線收縮(1600°CX 24h)約為1.1%，抗壓強(qiáng)度約為10.6MPa。
[0025]實(shí)施例2:
將30g無水氯化鋁溶于500ml水中，然后和30.3g鋁微粉置入反應(yīng)釜中，于90?100°C下加熱回流2?3h，過濾得到鋁溶膠(A1203的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12.1%)。其ζ電位值為35mV，可穩(wěn)定保存至3d以上。
[0026]取15wt%c_Zr02短纖維和55wt%的CX-AI2O3粉體，并加入石墨粉2wt%，羧甲基纖維素
1.0wt%，氧化招溶膠18wt%，高嶺土 2.0wt%，充分混合攪拌，得到濃懸浮體楽料。然后按序加入5被％的過氧化氫溶液(H202含量為30%)和lwt%的十二烷基三甲基溴化銨，于80°C下加熱攪拌30s直至楽料發(fā)泡，再加入lwt%的氯化錢溶液，繼續(xù)加熱攪拌lmin，至引發(fā)凝膠反應(yīng)。
[0027]將上述漿料注入預(yù)成型