CN102584313B

CN102584313B - 原位自生莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料及制备方法

Info

Publication number: CN102584313B
Application number: CN 201110461794
Authority: CN
Inventors: 徐国纲; 崔洪芝; 阮国智; 张智慧; 曾荣昌
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2011-12-24
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: CN102584313A

Abstract

本发明公开了一种原位自生莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料及制备方法，它是以α-氧化铝、拟薄水铝石、二氧化钛、硅微粉为主要原料，并添加氟化铝以及防止钛酸铝分解的稳定剂，粉体原料直接湿法球磨混合后，干燥造粒，采用干压成型，通过一步法直接原位合成的，合成后的多孔陶瓷材料是在钛酸铝基体材料中均匀穿插有原位合成的自生莫来石晶须增强相。由于莫来石晶须是原位合成，晶须均匀穿插于多孔陶瓷材料的空隙之间，很好的起到了对钛酸铝多孔陶瓷的增强作用，本发明为实现钛酸铝多孔陶瓷材料在工业高温烟气过滤及机动车尾气净化处理中的应用打下良好的基础。

Description

原位自生莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷材料领域，尤其涉及一种原位合成的莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的发展、工业化进程加快，环境污染问题凸显。大量工业三废排放，尤其是工业高温烟气以及机动车尾气、固体颗粒的排放已成为城市污染的罪魁祸首。因此，开展高温烟气过滤、催化技术的研究和开发，减少固体颗粒及有毒气体的排放成为节能减排、环境保护工程中的重要一环。高温过滤体材料除了需要具有耐高温和耐腐蚀之外，还需要具有一定的孔隙度、强度和优良的抗热震性。多孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透气阻力小、清洗再生方便以及耐高温、高压、耐化学介质腐蚀等特点是作为高温流体分离与净化的最佳选择。

钛酸铝(Al₂TiO₅)是目前已知低膨胀材料中耐高温性能最好的陶瓷材料之一，它的熔点高(1860±10℃)、热膨胀系数小(＜1.5×10^-6/℃)，具有较强的抗热震能力、良好的耐蚀性、抗渣性、耐碱性和对多种金属及玻璃不浸润的性质，在许多领域已经得到广泛应用，如作为高温防腐蚀涂层、高温抗氧化涂层以及高温合金的热障涂层的应用；作为耐火材料、结构材料在钢铁、金属冶炼以及汽车工业等领域的应用。基于Al₂TiO₅的优良低膨胀性和高温性能，其多孔陶瓷材料制品将是工业高温烟气以及机动车尾气、固体颗粒过滤净化用载体材料的理想选择。但是由于钛酸铝存在烧结强度低，且在750～1300℃温度内易分解，导致膨胀系数增大失去优良抗热震性两大致命缺陷，严重影响其实际应用。

在钛酸铝多孔陶瓷材料的应用方法，近年来人们也做了一些工作，通过氧化铁、氧化镁、氧化锆。氧化铝等粉体的掺杂，可以有效地抑制钛酸铝的分解，并且通过添加不同的造孔剂，制备了各种复合钛酸铝多孔陶瓷材料。但是现有的钛酸铝多孔陶瓷材料制备工艺复杂，且要额外加入造孔剂，由于造孔剂与原料粉体的比重差别较大，很难混合均匀，从而造成孔径分布不均匀，且烧结强度低，影响了产品性能的均匀性及实际应用。有研究表明SiC晶须、氧化铝纤维以及莫来石纤维可以有效提高钛酸铝复合材料的强度，但是由于SiC晶须、氧化铝纤维或莫来石纤维多采用外加的方法，很难实现晶须或纤维在钛酸铝基体中均匀分散，从而降低了其增强效果及材料性能的均匀性。

与本发明相近的技术是，中国专利公开号CN101607830公开了一种纤维增强钛酸铝复合材料以及制品的制备方法，它直接以α-Al₂O₃和钛黄粉为原料采用反应烧结法合成钛酸铝，并在配合料中加入防止钛酸铝分解的稳定剂和起增强作用的莫来石纤维，在球磨机中湿法球磨后真空注浆成型，干燥后烧成制得。这种复合材料虽然膨胀系数小，热稳定性和化学稳定好；但存在以下缺陷：一是由于它的莫来石纤维是直接外加的，不是反应自生的，所以不利于纤维均匀分散；二是它属于致密陶瓷烧结体，并不是钛酸铝多孔材料，无法满足工业高温烟气过滤及机动车尾气净化处理用载体材料的要求。

发明内容

本发明目的是针对现有钛酸铝多孔陶瓷材料中孔径分布不均，强度低的问题，提供一种原位合成自生莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，以满足工业高温烟气过滤及机动车尾气净化处理用载体材料的要求。

本发明同时提供一种这种材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的多孔陶瓷材料是在钛酸铝基体材料中均匀穿插有原位合成的自生莫来石晶须增强相，莫来石在体系中的质量百分比为10～40％，自生莫来石晶须的长度为5～20μm；这种多孔陶瓷材料的空隙率为37～60％，抗压强度10MPa～48MPa。

本发明的多孔陶瓷材料进一步讲，是以由拟薄水铝石或α-氧化铝与二氧化钛和稳定剂通过一步合成法直接反应合成的钛酸铝作为基体材料，以由拟薄水铝石或α-氧化铝与硅微粉以及氟化铝通过原位反应合成的莫来石晶须作为增强相。

上述各组分的重量百分比为：α-氧化铝6～24％，拟薄水铝石38～54％，二氧化钛23～32％，硅微粉2～10％，氟化铝2～3％，稳定剂3％，所述的稳定剂由氧化镁和氧化铁复合组成，氧化镁与氧化铁能够与钛酸铝形成稳定的固溶体，起到抑制钛酸铝分解的作用。

优选地，所述稳定剂中氧化铁的重量百分比为20～50％，氧化镁的重量百分比为50-80％。

上述各原料纯度以重量百分比计为：α-氧化铝≥99％，二氧化钛≥98％，硅微粉≥97％，氟化铝≥98％，氧化镁≥99％，氧化铁≥99％。

本发明中涉及的原位合成莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料制备方法如下：

它是以上述α-氧化铝、拟薄水铝石、二氧化钛、硅微粉为主要原料，并添加氟化铝以及防止钛酸铝分解的稳定剂，粉体原料直接湿法球磨混合后，干燥造粒，采用干压成型，通过一步法直接原位合成的。

上述制备方法的详细步骤为：

第一步：首先将α-氧化铝、拟薄水铝石、二氧化钛、硅微粉、氟化铝、氧化铁、氧化镁原料粉体按上述配比要求加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶(1.5～2.5)∶(0.6～0.9)；混合时间为0.5～2个小时；

第二步：将球磨好的浆料进行喷雾干燥并造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒。将复合粉体按照不同粒度比混料，40目和60目粗细颗粒粒径比控制在(1～2)∶1，加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为40MPa～80MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分重量含量不大于1％；

第三步：烘干后的样品在1400～1500℃温度下进行烧成，保温时间为1～3小时后可获得自生莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料。

本发明的优点是：本发明采用原位合成莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，工艺简单，不需添加造孔剂，且由于莫来石晶须是原位合成，分散均匀，晶须穿插于多孔陶瓷材料的空隙之间，很好的起到了对钛酸铝多孔陶瓷的增强作用，为实现钛酸铝多孔陶瓷材料在工业高温烟气过滤及机动车尾气净化处理中的应用打下良好的基础。本发明所制得的莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料热膨胀系数小，强度高，孔隙率为37～60％、气孔孔径分布均匀，热稳定性和化学稳定性好，可以用于陶瓷滤膜支撑体、工业高温烟气过滤及机动车尾气净化处理用的载体材料。

附图说明

图1是采用本发明所合成多孔陶瓷材料的X-射线粉末衍射图谱。

图2是采用本发明所制备多孔陶瓷材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

实施例1：以莫来石含量占总质量的质量百分比为10％进行配料

首先按下述比例称取原料：α-氧化铝6％，拟薄水铝石54％，二氧化钛32％，硅微粉2％，氟化铝3％，稳定剂3％，将上述原料粉体加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶2∶0.8，混合时间为2个小时。将球磨好的浆料进行喷雾干燥造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒。将复合粉体按照粗细颗粒粒径大小重量比1∶1混料，并加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为40MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分含量不大于1％。烘干后的样品在1500℃温度下进行烧成，保温时间为1小时，制得莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫来石晶须的长度为5～20μm，材料的抗压强度为18Mpa，孔隙率为49％。

实施例2：以莫来石含量占总质量的质量百分比为40％进行配料

首先按下述比例称取原料α-氧化铝24％，拟薄水铝石38％，二氧化钛23％，硅微粉10％，氟化铝2％，稳定剂3％，其中，将上述原料粉体加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶2.5∶0.9，混合时间为1个小时。将球磨好的浆料进行喷雾干燥造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒，将复合粉体按照40目、60目颗粒粒径大小重量比2∶1混料，并加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为40MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分含量不大于1％。烘干后的样品在1450℃温度下进行烧成，保温时间为2小时，制得莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫来石晶须的长度为5～15μm，材料的孔隙率为55％，抗压强度为15Mpa。

实施例3：莫来石含量占总质量的质量百分比为20％进行配料

首先按下述比例称取原料α-氧化铝11％，拟薄水铝石50％，二氧化钛29％，硅微粉5％，氟化铝2％，稳定剂3％，其中将上述原料粉体加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶1.5∶0.8，混合时间为0.5个小时。将球磨好的浆料进行喷雾干燥造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒，将复合粉体按照40目、60目颗粒粒径大小重量比2∶1混料，并加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为80MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分含量不大于1％。烘干后的样品在1400℃温度下进行烧成，保温时间为2小时，制得莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫来石晶须的长度为5～10μm，材料的孔隙率为37％，抗压强度为48Mpa。

实施例4：以莫来石含量占总质量的质量百分比为10％进行配料

首先按下述比例称取原料：α-氧化铝6％，拟薄水铝石54％，二氧化钛32％，硅微粉2％，氟化铝3％，稳定剂3％，其中，将上述原料粉体加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶1.5∶0.8，混合时间为1个小时。将球磨好的浆料进行喷雾干燥造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒，将复合粉体按照40目、60目颗粒粒径大小重量比2∶1混料，并加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为60MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分含量不大于1％。烘干后的样品在1500℃温度下进行烧成，保温时间为3小时，制得莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料，原位合成的自生莫来石晶须的长度为5～20μm，材料的孔隙率为41％，抗压强度为44Mpa。

本发明中抗压强度的检测依据国标GB/T 1964-1996《多孔陶瓷性能试验方法》，上述孔隙率的检测依据国标GB/T 1966-1996《多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法》。

本发明多孔陶瓷材料的X-射线粉末衍射图谱和扫描电镜照片分别见图1和图2。由X-射线粉末衍射分析可知材料的主晶相为钛酸铝和莫来石，图2中颗粒为钛酸铝基体，晶须为自生莫来石晶须，从图2中可以看出，莫来石晶须均匀分散于钛酸铝为基体的多孔陶瓷材料中，并且晶须主要穿插于多孔陶瓷材料的空隙之间，对孔洞起到很好的支撑，实现了对钛酸铝多孔陶瓷的增强作用。

Claims

1.一种原位自生莫来石晶须增强钛酸铝多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于，它是在钛酸铝多孔陶瓷材料孔洞中均匀穿插有原位合成的自生莫来石晶须增强相，莫来石在体系中的质量百分比为10～40％，自生莫来石晶须的长度为5～20μm；这种多孔陶瓷材料的孔隙率为37～60％，抗压强度10MPa～48MPa：这种多孔陶瓷材料的详细制备方法如下：

第一步：首先将α-氧化铝、拟薄水铝石、二氧化钛、硅微粉、氟化铝、氧化铁、氧化镁原料粉体按照配比要求加入到行星球磨机中混合，混合料、球、水的重量百分比为1∶(1.5～2.5)∶(0.6～0.9)；混合时间为0.5～2个小时；

第二步：将球磨好的浆料进行喷雾干燥并造粒，分别过40目、60目筛，得到不同粒度的复合粉体颗粒；将复合粉体按照不同粒度比混料，40目和60目粗细颗粒粒径比控制在(1～2)∶1，加入到金属模具中进行干压成型，成型压力为40MPa～80MPa，脱模后样品在110℃烘干至水分重量含量不大于1％；

第三步：烘干后的样品在1400～1500℃温度下进行烧成，保温时间为1～3小时后可获得自生莫来石晶须增强的钛酸铝多孔陶瓷材料；

上述各组分的重量百分比为：α-氧化铝6～24％，拟薄水铝石38～54％，二氧化钛23～32％，硅微粉2～10％，氟化铝2～3％，稳定剂3％，所述的稳定剂由氧化镁和氧化铁复合组成，稳定剂中氧化铁的重量百分比为20～50％，氧化镁的重量百分比为50-80％。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述各原料纯度以重量百分比计含量为：α-氧化铝≥99％，二氧化钛≥98％，硅微粉≥97％，氟化铝≥98％，氧化镁≥99％，氧化铁≥99％。