原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及製備方法
2023-05-30 10:00:01
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製備方法
技術領域：
本發明涉及多孔陶瓷材料領域，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製備方法。
背景技術：
隨著國民經濟的發展、工業化進程加快，環境汙染問題凸顯。大量工業三廢排放， 尤其是工業高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒的排放已成為城市汙染的罪魁禍首。因此， 開展高溫煙氣過濾、催化技術的研究和開發，減少固體顆粒及有毒氣體的排放成為節能減排、環境保護工程中的重要一環。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、強度和優良的抗熱震性。多孔陶瓷材料由於具有孔隙率高、透氣阻力小、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學介質腐蝕等特點是作為高溫流體分離與淨化的最佳選擇。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)、熱膨脹係數小(< 1.5X10_6/°C)，具有較強的抗熱震能力、良好的耐蝕性、抗渣性、耐鹼性和對多種金屬及玻璃不浸潤的性質，在許多領域已經得到廣泛應用，如作為高溫防腐蝕塗層、高溫抗氧化塗層以及高溫合金的熱障塗層的應用；作為耐火材料、結構材料在鋼鐵、金屬冶煉以及汽車工業等領域的應用。基於Al2TiO5的優良低膨脹性和高溫性能，其多孔陶瓷材料製品將是工業高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒過濾淨化用載體材料的理想選擇。但是由於鈦酸鋁存在燒結強度低，且在750 1300°C溫度內易分解，導致膨脹係數增大失去優良抗熱震性兩大致命缺陷，嚴重影響其實際應用。在鈦酸鋁多孔陶瓷材料的應用方法，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，並且通過添加不同的造孔劑，製備了各種複合鈦酸鋁多孔陶瓷材料。但是現有的鈦酸鋁多孔陶瓷材料製備工藝複雜，且要額外加入造孔劑，由於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，且燒結強度低，影響了產品性能的均勻性及實際應用。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複合材料的強度，但是由於SiC 晶須、氧化鋁纖維或莫來石纖維多採用外加的方法，很難實現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。與本發明相近的技術是，中國專利公開號CN101607830公開了一種纖維增強鈦酸鋁複合材料以及製品的製備方法，它直接以α-Al2O3和鈦黃粉為原料採用反應燒結法合成鈦酸鋁，並在配合料中加入防止鈦酸鋁分解的穩定劑和起增強作用的莫來石纖維，在球磨機中溼法球磨後真空注漿成型，乾燥後燒成製得。這種複合材料雖然膨脹係數小，熱穩定性和化學穩定好；但存在以下缺陷一是由於它的莫來石纖維是直接外加的，不是反應自生的，所以不利於纖維均勻分散；二是它屬於緻密陶瓷燒結體，並不是鈦酸鋁多孔材料，無法滿足工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理用載體材料的要求。
發明內容
本發明目的是針對現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，以滿足工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理用載體材料的要求。本發明同時提供一種這種材料的製備方法。為達到上述目的，本發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定劑通過一步合成法直接反應合成的鈦酸鋁作為基體材料，以由擬薄水鋁石或α -氧化鋁與矽微粉以及氟化鋁通過原位反應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 %，矽微粉2 10 %，氟化鋁2 3 %，穩定劑3 %，所述的穩定劑由氧化鎂和氧化鐵複合組成，氧化鎂與氧化鐵能夠與鈦酸鋁形成穩定的固溶體，起到抑制鈦酸鋁分解的作用。優選地，所述穩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%，矽微粉彡97%，氟化鋁> 98%，氧化鎂> 99%，氧化鐵> 99%。本發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製備方法如下它是以上述α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、矽微粉為主要原料，並添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩定劑，粉體原料直接溼法球磨混合後，乾燥造粒，採用幹壓成型，通過一步法直接原位合成的。上述製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、矽微粉、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乾燥並造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒。將複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幹壓成型，成型壓力為40ΜΙ^ 80MPa，脫模後樣品在 110°C烘乾至水分重量含量不大於；第三步烘乾後的樣品在1400 1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為1 3小時後可獲得自生莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料。本發明的優點是本發明採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，且由於莫來石晶須是原位合成，分散均勻，晶須穿插於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，為實現鈦酸鋁多孔陶瓷材料在工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理中的應用打下良好的基礎。本發明所製得的莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料熱膨脹係數小，強度高，孔隙率為37 60%、氣孔孔徑分布均勻，熱穩定性和化學穩定性好，可以用於陶瓷濾膜支撐體、工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理用的載體材料。
圖1是採用本發明所合成多孔陶瓷材料的X-射線粉末衍射圖譜。圖2是採用本發明所製備多孔陶瓷材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於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 以莫來石含量佔總質量的質量百分比為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 %，矽微粉2 %，氟化鋁3 %，穩定劑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乾燥造粒， 分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒。將複合粉體按照粗細顆粒粒徑大小重量比1 1混料，並加入到金屬模具中進行幹壓成型，成型壓力為40MPa，脫模後樣品在 110°C烘乾至水分含量不大於1%。烘乾後的樣品在1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為 1小時，製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 以莫來石含量佔總質量的質量百分比為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 %，矽微粉10%，氟化鋁2%，穩定劑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乾燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒，將複合粉體按照40目、60目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，並加入到金屬模具中進行幹壓成型，成型壓力為40MPa，脫模後樣品在110°C烘乾至水分含量不大於1%。烘乾後的樣品在1450°C溫度下進行燒成，保溫時間為2小時，製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 莫來石含量佔總質量的質量百分比為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％，矽微粉5%，氟化鋁2%，穩定劑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乾燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒，將複合粉體按照40目、60 目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，並加入到金屬模具中進行幹壓成型，成型壓力為80MPa， 脫模後樣品在110°C烘乾至水分含量不大於1%。烘乾後的樣品在1400°C溫度下進行燒成， 保溫時間為2小時，製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 以莫來石含量佔總質量的質量百分比為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 %，矽微粉2 %，氟化鋁3 %，穩定劑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乾燥造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒，將複合粉體按照40目、60目顆粒粒徑大小重量比2 1混料，並加入到金屬模具中進行幹壓成型，成型壓力為60MPa，脫模後樣品在110°C烘乾至水分含量不大於1%。烘乾後的樣品在1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為3小時，製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。本發明中抗壓強度的檢測依據國標GB/T 1964-1996《多孔陶瓷性能試驗方法》，上述孔隙率的檢測依據國標GB/T 1966-1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法》。本發明多孔陶瓷材料的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於鈦酸鋁為基體的多孔陶瓷材料中，並且晶須主要穿插於多孔陶瓷材料的空隙之間，對孔洞起到很好的支撐，實現了對鈦酸鋁多孔陶瓷的增強作用。
權利要求
1.一種原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料，其特徵在於，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.如權利要求1所述的多孔陶瓷材料，其特徵在於，它是以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與二氧化鈦和穩定劑通過一步合成法直接反應合成的鈦酸鋁作為基體材料，以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與矽微粉以及氟化鋁通過原位反應合成的莫來石晶須作為增強相。
3.如權利要求2所述的多孔陶瓷材料，其特徵在於，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%，矽微粉2 10%，氟化鋁2 3%，穩定劑3%，所述的穩定劑由氧化鎂和氧化鐵複合組成。
4.如權利要求3所述的多孔陶瓷材料，其特徵在於，所述穩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.如權利要求3或4所述的多孔陶瓷材料，其特徵在於，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%，矽微粉> 97%，氟化鋁> 98%，氧化鎂彡99%，氧化鐵彡99%。
6.一種如權利要求1-4任一所述的多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，它是以 α -氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、矽微粉為主要原料，並添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩定劑，粉體原料直接溼法球磨混合後，乾燥造粒，採用幹壓成型，通過一步法直接原位合成的。
7.如權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，詳細製備步驟如下第一步首先將α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、矽微粉、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乾燥並造粒，分別過40目、60目篩，得到不同粒度的複合粉體顆粒。將複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幹壓成型，成型壓力為40ΜΙ^ 80MPa，脫模後樣品在110°C 烘乾至水分重量含量不大於；第三步烘乾後的樣品在1400 1500°C溫度下進行燒成，保溫時間為1 3小時後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、工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理方面的應用。
全文摘要
本發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製備方法，它是以α-氧化鋁、擬薄水鋁石、二氧化鈦、矽微粉為主要原料，並添加氟化鋁以及防止鈦酸鋁分解的穩定劑，粉體原料直接溼法球磨混合後，乾燥造粒，採用幹壓成型，通過一步法直接原位合成的，合成後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。由於莫來石晶須是原位合成，晶須均勻穿插於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，本發明為實現鈦酸鋁多孔陶瓷材料在工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣淨化處理中的應用打下良好的基礎。
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 優先權日2011年12月24日
發明者崔洪芝, 張智慧, 徐國綱, 曾榮昌, 阮國智 申請人:山東科技大學