CN100430321C - 一种改性钛酸铝材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改性钛酸铝材料的制备方法。该方法以四氯化钛和硝酸铝为前驱体原料，溶于无水低碳醇中形成混合液，在剧烈搅拌下，将复合稳定剂以及增强剂加入到混合液中，配制成混合醇溶液，然后通过加热水解溶胶—凝胶法得到改性钛酸铝材料，实现了钛酸铝的合成与改性一步完成，在保持钛酸铝低膨胀性能的前提下，显著提高了钛酸铝的机械强度与抗热分解能力。该方法具有操作简单、周期短、成本低的特点。

Description

一种改性钛酸铝材料的制备方法
技术领域
本发明涉及无机材料改性技术领域，具体涉及一种制备强度高、热稳定性好的钛酸铝材料的方法。
背景技术
钛酸铝陶瓷材料是一种集高熔点(1860℃)、低膨胀(0.5～1.5×10-6/℃)于一身的优异无机材料，具有广阔的应用前景。但该材料也存在着两大致命弱点：一是晶体在各个晶轴方向上膨胀系数差异很大，在冷却时产生大量微裂纹，导致机械强度很低；其二是在800～1280℃区间内易分解成金红石和刚玉相，失去了钛酸铝的优良性能，因此大大限制了钛酸铝材料的实际应用。国内外在上世纪70年代就已经开始研究钛酸铝材料制备和改性，针对其在800℃～1280℃之间易分解和难以致密烧结两大难题做了大量的研究工作，取得了很大的进展。如通过引入氧化铁、氧化镁、二氧化硅、氧化钇、氧化镧等添加剂来稳定钛酸铝的晶格，从而达到提高钛酸铝稳定性的目的；引入高岭、锂辉石、二氧化硅来改善钛酸铝的烧结性能，促进钛酸铝材料的致密化。也有人研究通过引入第二相来改善钛酸铝的性能，如制备钛酸铝和莫来石复相陶瓷，添加二氧化锆来增强钛酸铝陶瓷等。然而，由于已有的研究主要集中在利用固相法掺杂改性钛酸铝陶瓷，往往达不到预想的效果。而且所开展的研究要么是主要针对提高钛酸铝的强度，要么是注重改善钛酸铝的热稳定性，未见有将上述二方面结合起来研究的成果报导，即很少研究在保持钛酸铝低膨胀性的前提下，同时提高钛酸铝的机械强度和热稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性钛酸铝材料的制备方法。采用该方法所制备的钛酸铝材料在保持钛酸铝低膨胀性的前提下，其机械强度和热稳定性都得到显著提高。克服了固相法引入添加剂改性效果不理想的缺点，使钛酸铝成为一种实用化的材料。
为实现发明目的，本发明的一种改性钛酸铝材料的制备方法依次包括：
(1)以四氯化钛和硝酸铝为前驱体，将它们溶于无水低碳醇中，得到两者的混合醇溶液A；(2)在剧烈搅拌下，以混合醇溶液A为基准，将0.5～3wt％甘油加入混合醇溶液A中，得到混合液B；(3)以四氯化钛的摩尔数为基准，将复合稳定剂(12mol％Mg(NO3)2·6H2O和8mol％Fe(NO3)3·9H2O)以及6～10mol％增强剂(ZrOCl2·8H2O或/和Y(NO3)3·9H2O)加入到混合液B中，搅拌均匀得到混合液C；(4)将混合液C在60～90℃的条件下加热、回流，产生水解、缩聚反应，形成凝胶D，(5)将凝胶D干燥、研磨、低温煅烧、压制成型、烧结即可得到改性钛酸铝材料。
所述的无水低碳醇是指甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇的一种以上的混合物。
所述的前驱体与无水低碳醇的最佳配比是：前驱体与无水低碳醇的摩尔比为1∶10～25，其中，四氯化钛与硝酸铝的摩尔比为1∶2。
所述的干燥处理的最佳温度范围是60～85℃，最佳低温煅烧制度是：在400～500℃下煅烧15～30min，烧结最好是在1380～1450℃下进行，并保温1～2h。
本发明通过在四氯化钛和硝酸铝混合醇溶液中同时引入增强剂和稳定剂，使钛酸铝的合成与改性一步完成，改性后钛酸铝强度大于50MPa，并且具有很好的热稳定性和低膨胀性能，解决了困扰钛酸铝材料实际应用的两大难题。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2显示了在钛酸铝分解最为剧烈的1100℃下实施例1～3合成的改性钛酸铝材料的膨胀系数随保温时间变化的规律，图中还列出了分别用固相法和本方法合成的未改性钛酸铝材料的膨胀系数随保温时间变化的趋势，以资比较。
具体实施方式
实施例1
将0.036mol硝酸铝(分析纯)、0.018mol四氯化钛(化学纯)的前驱体原料，溶解于0.735mol无水C2H5OH(分析纯)，得到四氯化钛和硝酸铝的混合醇溶液A，在剧烈搅拌下，将1.5wt％甘油(分析纯)加入其中，得到混合液B，将10mol％增强剂ZrOCl2·8H2O(化学纯)与复合稳定剂Mg(NO3)2·6H2O(12mol％，化学纯)和Fe(NO3)3·9H2O(8mol％，化学纯)加入到混合液B中，搅拌均匀得到混合液C，置于70℃的水浴中进行加热、回流，使之发生水解缩聚反应，形成凝胶D。然后经65℃干燥形成干凝胶E，研磨然后在450℃下低温煅烧25min，得到改性钛酸铝前驱体粉末F，将2wt％的PVA作为粘结剂与改性钛酸铝前驱体粉末F混合，压制成型，干燥后在1400℃下烧结，保温1.5h，得到本发明的改性钛酸铝材料。
实施例2
将实施例1中10mol％增强剂ZrOCl2·8H2O(化学纯)改为6mol％增强剂Y(NO3)3·9H2O(化学纯)，其它条件不变，得到改性钛酸铝材料。
实施例3
将实施例1中10mol％增强剂ZrOCl2·8H2O(化学纯)改为6mol％ZrOCl2·8H2O(化学纯)和3mol％Y(NO3)3·9H2O(化学纯)的复合，其它条件不变，得到改性钛酸铝材料。
图2中固相法和本方法所制备的粉体系指未加改性剂条件下合成的钛酸铝粉体，固相法合成钛酸铝粉体的烧结温度为1520℃，保温时间为4h，本方法合成钛酸铝粉体的烧结温度为1420℃，保温时间为2h。从图2中可以看出，实施例1～3合成的改性钛酸铝材料的膨胀系数随保温时间延长增幅很小，与固相法和本方法合成的未改性钛酸铝材料相比，改性后的钛酸铝材料热稳定性大大提高。改性钛酸铝材料的抗折强度、吸水率以及热膨胀系数数据列于表1，为便于比较，表1中给出了分别用固相法和本方法合成的未改性钛酸铝材料的相应数据。
表1钛酸铝材料的抗折强度、吸水率以及热膨胀系数的测试结果
Figure C20061000531500051

Claims (3)

1、一种改性钛酸铝材料的制备方法依次包括：(1)以四氯化钛和硝酸铝为前驱体，将它们溶于无水低碳醇中，得到两者的混合醇溶液A，其中所述的无水低碳醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇的一种以上的混合物；(2)在剧烈搅拌下，以混合醇溶液A为基准，将0.5～3wt％甘油加入混合醇溶液A中，得到混合液B；(3)以四氯化钛的摩尔数为基准，将12mol％Mg(NO3)2·6H2O和8mol％Fe(NO3)3·9H2O以及6～10mol％ZrOCl2·8H2O或/和Y(NO3)3·9H2O加入到混合液B中，搅拌均匀得到混合液C；(4)将混合液C在60～90℃的条件下加热、回流，产生水解、缩聚反应，形成凝胶D，(5)将凝胶D干燥、研磨、低温煅烧、压制成型、烧结即可得到改性钛酸铝材料。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的前驱体与无水低碳醇的摩尔比为1∶10～25，其中，四氯化钛与硝酸铝的摩尔比为1∶2。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的干燥处理的温度是60～85℃，低温煅烧制度是在400～500℃下煅烧15～30min，烧结温度是在1380～1450℃进行，保温1～2h。
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