高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的製備方法
2023-05-13 09:46:46
專利名稱：高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的製備方法
技術領域：
本發明涉及的是高溫用陶瓷過濾器技術領域，是關於一種高溫過濾用多孔(也稱泡沫)複合陶瓷的製備方法。
背景技術：
關於高溫用陶瓷過濾器有一系列專利。經查新中國專利說明書CN102351566、泡沫陶瓷過濾器的製備方法是通過先驅體泡沫、將氧化鋯等混合體塗覆在泡沫上，來製得泡沫陶瓷過濾體坯體，經烘乾後的泡沫陶瓷過濾器坯體再經高溫燒結，得到泡沫陶瓷過濾器。文獻[ZrO2Al2O3復相泡沫陶瓷過濾器製備工藝研究，鑄造，2007，56 (10)]也是採用有機泡沫浸潰法製備泡沫陶瓷，研究了各種不同工藝因素對泡沫陶瓷性能的影響。對氧化鋯和氧化鋁複合漿料進一步分析表明，氧化鋁的加入量為20%時，漿料具有較小的粘度。較好地 抑制了 t-Zr02 — Hi-ZrO2轉變的發生，使得大量的能發揮應力誘導相變的亞穩態四方相氧化鋯保留了下來，從而提高了燒結體的力學性能。掃描電鏡分析也表明加入適量的氧化鋁可有效抑制氧化鋯晶粒的長大，並且起到顆粒彌散增強的作用。上述二種文獻都是利用泡沫作為先驅體，通過機械及物理化學方法將氧化鋁和氧化鋯複合材料進行塗覆或掛漿處理，然後烘乾燒結製得多孔複合陶瓷。上述方法存在的主要問題是(I)是固態部分的多孔結構的稜或稱為邊粗細不均；(2)是孔隙率分布均勻性差；(3)是孔徑的大小和孔隙率的高低難以有效控制，完全取決於泡沫先驅體結構本身。
發明內容
針對以上不足，本發明的目的在於提供一種高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，是將鋁粉和氧化鋯陶瓷粉及高分子粉末等混合併進行低溫合成，通過後續氧化燃燒去除高分子材料來形成所需的孔隙率，並利用鋁粉的完全氧化燒結來滿足粉末混合體系孔洞形成過程中具有一定低溫強度，然後進行持續高溫燒結，製備成所需孔隙率的多孔氧化鋁和氧化鋯複合陶瓷的方法。本發明的技術方案是通過以下方式實現的高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，包括以下步驟1)粉末均勻混合；2)混磨；3)裝入模具；4)低溫成型；5)保溫；6)放入氧化爐；7)氧化處理；8)高溫燒結；9)切割；其特徵在於
1)、粉末均勻混合將氧化鋯、鋁粉和熱固性或改性的熱塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛樹脂、環氧樹脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按比例進行稱量配比(I)、首先將氧化鋯和鋁粉的比例按照10%_90 %和90%-10 %的原子百分比稱量混合；
(2)、再將氧化鋯和鋁粉的混合物與熱固性或改性的熱塑性高分子材料按重量百分比混合氧化鋯+鋁粉為50-20 %、熱固性或改性的熱塑性高分子材料為50-80 %混合，形成混合粉末；
2)、混磨在混合粉末中加入20-30粒直徑為10-12毫米的氧化鋁陶瓷球或鋼球，在V型結構的混料機上以速度為60-120轉/分的速度混磨2-4小時後，用小於所用球的尺寸10-12毫米的粗網格過篩以便取出陶瓷球或鋼球，置入具有蓋子的塑料容器內，備用；
所述的鋁粉、氧化鋯和熱固性或改性的熱塑性高分子材料粉末的粒度在I- 100微米之間。3)、裝入模具取一定量的混合粉末裝入具有耐熱不粘塗層的光滑模具內並蓋上壓板或蓋子，壓板或蓋子和粉末接觸面需要有不粘塗層；
4)、低溫成型將上述模具放入已經預熱的空氣循環爐或平板爐內預熱成型，進行低溫成型處理；
所述的空氣循環爐，其預熱成型溫度為180-250 °C，低溫成型時間為8-12分鐘。所述的平板爐，其預熱成型溫度為180-250 °C，低溫成型時間為3_5分鐘。5)、保溫將經預熱成型的模具轉入另一已預熱至130 °C的爐子內保溫，保溫時間 ^ 2小時，使混合的高分子粉末固化，待模具降溫後，取出固化的材料；
6 )、放入氧化爐取出的固化材料，放置在較薄的輕質氧化鋁或高溫陶瓷板或高溫蜂窩陶瓷板上，用小陶瓷塊支撐並放上多孔高溫陶瓷蓋板，放入空氣循環的氧化爐內；
所述的蜂窩陶瓷板的網格孔徑<3毫米。7)、氧化處理將氧化爐從室溫加熱至600_650°C，加熱時間為3小時，保溫1_2小時，待冷卻後或直接轉入高溫燒結爐內；
8)、高溫燒結將轉入高溫燒結爐內的材料再加熱到1650-1800°C，加熱速度為2-3小時，保溫1-2小時，然後隨爐冷卻至100°C以下，並從爐子中取出，即為製得的多孔或泡沫陶瓷；
9)、切割將上述多孔或泡沫陶瓷按照所需規格進行切割。本發明，主要有以下幾方面特點(I)該方法主要利用高分子流變特性來實現低溫成型並利用高分子在後續氧化處理過程中燃燒去除來產生所需的孔隙率；(2)孔徑的控制可以通過低溫成型的熱機械處理溫度的高低和加熱速度的快慢來有效控制；(3)直接利用微米級鋁粉的氧化來實現複合粉末體系，特別是在氧化過程高分子去除時的多孔結構的低溫強度，該強度隨加熱溫度的不斷提高而提高；(4)形成的氧化鋁和氧化鋯複合體系，材料純度高、力學性能優良，可以後續用於多種工程應用，如鑄鋼件和鋼鐵熔煉後澆鑄過程中的過濾等。
具體實施例方式高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的製備方法，包括以下步驟
I、粉末均勻混合將氧化鋯、鋁粉和熱固性或改性的熱塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛樹脂、環氧樹脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按原子百分比和重量百分比進行稱量配比。
(I)、首先取40 % (原子百分比)氧化鋯和60 % (原子百分比)的鋁粉混合；
(2)、再將氧化鋯和鋁粉的總重量與熱固性或改性的熱塑性高分子材料的比例按重量百分比混合氧化鋯+鋁粉為30 % (重量百分比)，熱固性或改性的熱塑性高分子材料為70 % (重量百分比)混合，形成混合粉末。氧化鋯和鋁粉的比例決定所需的孔隙率的比例。2、混磨在混合粉末中加入20-30粒直徑為10-12毫米的氧化鋁陶瓷球或鋼球，在V型結構的混料機上以速度為60-120轉/分的速度混磨2-4小時後，用小於所用球的尺寸10-12毫米的粗網格過篩以便取出陶瓷球或鋼球，置入具有蓋子的塑料容器內，備用。
上述各種粉末材料的粒度要求在100微米以內，如鋁粉，氧化鋯粉，高分子粉的粒度需要在100微米以內，其中鋁粉粒度最好小於50微米以保證在加熱過程中完全氧化而不發生後續加熱過程中的熔化，同樣，鋁粉粒度也不能小於I微米，因為鋁粉粒度小於I微米，增加了鋁粉操作過程中易燃的危險性。高分子的粒度對最後材料的孔徑尺寸有決定作用，所以如果需要孔徑尺寸小，需要選擇高分子的粒度相對要小為原則。3、裝入模具取一定量的混合粉末裝入具有耐熱不粘塗層的光滑模具內並蓋上壓板或蓋子，壓板或蓋子和粉末接觸面需要有不粘塗層。4、低溫成型將上述模具放入已經預熱的空氣循環爐或平板爐內預熱成型，進行低溫成型處理，成型時間需要根據沉積粉末的厚度和爐子溫度進行有效控制。在平板爐上成型時，溫度在180-250 °C，需要時間在3-5分鐘；如在空氣循環爐內進行低溫成型時，成型時間需適當延長，需要為8-12分鐘。一旦成型完成後，將其轉移到已經預熱到130 °C的空氣循環爐內進行固化處理，實現高分子的熱固性穩定化處理。5、保溫將經預熱成型的模具轉入另一已預熱至130 0C的爐子內保溫，保溫時間 ^ 2小時，處理時間大於或等於2小時即可(超過兩小時或更長，對質量沒有影響)。使混合的高分子粉末固化，待模具降溫後，取出固化的材料進入下一步的氧化過程。6、放入氧化爐將固化材料，放置在較薄的輕質氧化鋁或高溫陶瓷板或高溫蜂窩陶瓷板上，用小陶瓷塊支撐並放上多孔高溫陶瓷蓋板，放入由空氣循環的氧化爐內；用蜂窩陶瓷板時的網格孔徑<3毫米。7、氧化處理將氧化爐從室溫加熱至600_650°C，加熱時間為3小時，保溫1_2小
時，待冷卻後或直接轉入高溫燒結爐內。8、高溫燒結將轉入高溫燒結爐內材料再加熱到1650-1800 °C，加熱速度為2-3小時，保溫1-2小時，然後隨爐冷卻至100°C以下，並從爐子中取出，即為製得的多孔或泡沫陶瓷。鋁粉的氧化過程，需要根據鋁粉的粒度及其氧化程度來決定其加熱曲線。由於鋁粉的氧化可以實現高分子燃燒去除過程中複合陶瓷粉體具有一定強度並形成多孔或泡沫結構，而不會坍塌。通常氧化過程的曲線為從室溫到600 °(或650 °C加熱時間為3小時。然後在該溫度下保溫1-2小時後，移至高溫燒結爐內加熱到1650 °C-1800°C。加熱速度可以為2或3小時，並在1650 °C-1800°C適當保溫1-2小時，而後隨爐冷卻至低溫100 0C以下，取出泡沫材料並測試其基本的力學性能。根據所測試的力學性能決定其可以作為高溫鋼液過濾器能承受的衝擊等以及建議材料在過濾中所放置的位置。9、切割將上述多孔或泡沫陶瓷按照所需規格進行切割。本發明利用了複合粉末體系中鋁粉在加熱過程中的氧化，高分子粉末在氧化過程中燃燒，鋁粉在低溫發泡和後續完全氧化並實現和氧化鋯燒結在一起，實現混合體系中高分子去除時由鋁粉氧化過程來保證複合粉末體系的多孔骨架結構形成。在加熱曲線中，保證在室溫至600-650 °C和在該溫度下的保溫時鋁粉顆粒完全氧化轉變成氧化鋁，並實現複合粉末體系氧化燒結過程中具有一定的低溫和中溫強度。鋁粉氧化後氧化鋁和氧化鋯陶瓷粉的複合及高溫燒結，形成泡沫結構高溫陶瓷，在加熱過程中，鋁粉顆粒在600-650 0C前，既完全氧化轉化成氧化鋁，又提供了複合顆粒體系多孔結構的強度，這一多孔或泡沫複合體系隨加熱溫度提高和加熱時間的延長，其多孔結構的連接強度愈來愈高。整個工藝最經濟的加熱曲線也稱熱機械處理過程工藝是從室溫到600-650 °C，3小時，在600-650 0C保溫I小時，然後從600-650 0C升溫至1650 °C_1800°C為2小時，在1650 °C-1800°C保溫I小時，而後關掉電源，隨爐冷卻。但是在600-650 °C保溫和16500C-ISOO0C保溫可以適當延長時間，即可分別增加到2或3小時。 本發明，有效利用低溫下鋁粉氧化來實現多孔骨架結構形成所需的強度，並隨後續氧化溫度提高，鋁粉經完全氧化轉化為氧化鋁並與氧化鋯燒結在一起形成氧化鋁和氧化鋯混合成分的高溫多孔陶瓷過濾器。其製造工藝簡單，易於實現批量工業化生產。
權利要求
1.高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，包括以下步驟1)粉末均勻混合；2)、混磨；3)裝入模具；4)預熱成型；5)保溫固化；6)放入氧化爐；7)氧化處理；8)高溫燒結；9)切割；其特徵在於 1)、粉末均勻混合將氧化鋯、鋁粉和熱固性或改性的熱塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛樹脂、環氧樹脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按原子百分比和重量百分比進行配比； (I)、首先將氧化鋯和鋁粉的比例按照原子百分比10%_90 % 90%-10 %的比例混合； (2)、再將氧化鋯和鋁粉的總重量與熱固性或改性的熱塑性高分子材料的比例按重量百分比混合氧化鋯+鋁粉為50-20 %，熱固性或改性的熱塑性高分子材料為50-80 %混合，形成混合粉末； 2)、混磨在混合粉末中加入20-30粒直徑為10-12毫米的氧化鋁陶瓷球或鋼球，在V型結構的混料機上以速度為60-120轉/分的速度混磨2-4小時後，用小於所用球的尺寸10-12毫米的粗網格過篩以便取出陶瓷球或鋼球，置入具有蓋子的塑料容器內，備用； 3)、裝入模具取一定量的混合粉末裝入具有耐熱不粘塗層的光滑模具內並蓋上壓板或蓋子，壓板或蓋子和粉末接觸面需要有不粘塗層； 4)、低溫成型將上述模具放入已經預熱的空氣循環爐或平板爐內預熱成型，進行低溫成型處理； 5)、保溫將經預熱成型的模具轉入另一已預熱至1300C的爐子內保溫，保溫時間彡2小時，使混合的高分子粉末固化，待模具降溫後，取出固化的材料； 6)、放入氧化爐取出的固化材料，放置在較薄的輕質氧化鋁或高溫陶瓷板或高溫蜂窩陶瓷板上，用小陶瓷塊支撐並放上多孔高溫陶瓷蓋板，放入由空氣循環的氧化爐內； 7)、氧化處理將氧化爐從室溫加熱至600-650°C，加熱時間為3小時，保溫1_2小時，待冷卻後或直接轉入高溫燒結爐內； 8)、高溫燒結將高溫燒結爐內再加熱到1650-1800°C，加熱速度為2-3小時，保溫1-2小時，然後隨爐冷卻至100°C以下，並從爐子中取出，即為製得的多孔或泡沫陶瓷； 9)、切割將上述多孔或泡沫陶瓷按照所需規格進行切割。
2.根據權利要求I所述的高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，其特徵在於所述的步驟2)混磨中的鋁粉、氧化鋯和熱固性或改性的熱塑性高分子材料粉末的粒度在I- 100微米之間。
3.根據權利要求I所述的高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，其特徵在於所述的步驟4)低溫成型中平板爐的溫度為180-250 °(的，成型時間為3-5分鐘。
4.根據權利要求I所述的高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，其特徵在於所述的步驟4)低溫成型中的空氣循環爐的溫度為180-250 °(的，成型時間為8-12分鐘。
5.根據權利要求I所述的高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，其特徵在於所述的步驟6)中的蜂窩陶瓷板的網格孔徑< 3毫米。
全文摘要
高溫過濾用氧化鋁和氧化鋯複合多孔陶瓷的的製備方法，包括以下步驟1)粉末均勻混合；2)混磨；3)裝入模具；4)低溫成型；5)保溫；6)放入氧化爐；7)氧化處理；8)高溫燒結；9)切割。本發明，有效利用低溫下鋁粉氧化來實現多孔骨架結構形成所需的強度，並隨後續氧化溫度提高，鋁粉經完全氧化轉化為氧化鋁並與氧化鋯燒結在一起形成氧化鋁和氧化鋯混合成分的高溫多孔陶瓷過濾器。其製造工藝簡單，易於實現批量工業化生產。
文檔編號C04B35/622GK102795885SQ20121033333
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者施忠良, 朱春芳, 施忠偉, 王虎 申請人:江蘇格業新材料科技有限公司