CN102795885A

CN102795885A - 高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN102795885A
Application number: CN2012103333360A
Authority: CN
Inventors: 施忠良; 朱春芳; 施忠伟; 王虎
Original assignee: JIANGSU GEYE NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGSU GEYE NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102795885B

Abstract

高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，包括以下步骤：1）粉末均匀混合；2）混磨；3）装入模具；4）低温成型；5）保温；6）放入氧化炉；7）氧化处理；8）高温烧结；9）切割。本发明，有效利用低温下铝粉氧化来实现多孔骨架结构形成所需的强度，并随后续氧化温度提高，铝粉经完全氧化转化为氧化铝并与氧化锆烧结在一起形成氧化铝和氧化锆混合成分的高温多孔陶瓷过滤器。其制造工艺简单，易于实现批量工业化生产。

Description

高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及的是高温用陶瓷过滤器技术领域，是关于一种高温过滤用多孔(也称泡沫)复合陶瓷的制备方法。

背景技术

关于高温用陶瓷过滤器有一系列专利。经查新中国专利说明书CN102351566 、泡沫陶瓷过滤器的制备方法：是通过先驱体泡沫、将氧化锆等混合体涂覆在泡沫上，来制得泡沫陶瓷过滤体坯体，经烘干后的泡沫陶瓷过滤器坯体再经高温烧结，得到泡沫陶瓷过滤器。文献[ZrO₂/Al₂O₃复相泡沫陶瓷过滤器制备工艺研究，铸造，2007，56 (10) ]也是采用有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，研究了各种不同工艺因素对泡沫陶瓷性能的影响。对氧化锆和氧化铝复合浆料进一步分析表明，氧化铝的加入量为20%时，浆料具有较小的粘度。较好地抑制了t-ZrO₂→m-ZrO₂转变的发生，使得大量的能发挥应力诱导相变的亚稳态四方相氧化锆保留了下來，从而提高了烧结体的力学性能。扫描电镜分析也表明加入适量的氧化铝可有效抑制氧化锆晶粒的长大，并且起到颗粒弥散增強的作用。上述二种文献都是利用泡沫作为先驱体，通过机械及物理化学方法将氧化铝和氧化锆复合材料进行涂覆或挂浆处理，然后烘干烧结制得多孔复合陶瓷。上述方法存在的主要问题是: （1）是固态部分的多孔结构的棱或称为边粗细不均；（2）是孔隙率分布均匀性差；（3）是孔径的大小和孔隙率的高低难以有效控制，完全取决于泡沫先驱体结构本身。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的在于提供一种高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，是将铝粉和氧化锆陶瓷粉及高分子粉末等混合并进行低温合成，通过后续氧化燃烧去除高分子材料来形成所需的孔隙率，并利用铝粉的完全氧化烧结来满足粉末混合体系孔洞形成过程中具有一定低温强度，然后进行持续高温烧结，制备成所需孔隙率的多孔氧化铝和氧化锆复合陶瓷的方法。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，包括以下步骤：1）粉末均匀混合；2）混磨；3）装入模具；4）低温成型；5）保温；6）放入氧化炉；7）氧化处理；8）高温烧结；9）切割；其特征在于：

1）、粉末均匀混合：将氧化锆、铝粉和热固性或改性的热塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛树脂、环氧树脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按比例进行称量配比：（1）、首先将氧化锆和铝粉的比例按照: 10%-90 %和90%-10 %的原子百分比称量混合；

（2）、再将氧化锆和铝粉的混合物与热固性或改性的热塑性高分子材料按重量百分比混合：氧化锆+铝粉为50-20 %、热固性或改性的热塑性高分子材料为:50-80 %混合，形成混合粉末；

2）、混磨：在混合粉末中加入20-30粒直径为10-12毫米的氧化铝陶瓷球或钢球，在V型结构的混料机上以速度为60-120转/分的速度混磨2-4小时后，用小于所用球的尺寸10-12毫米的粗网格过筛以便取出陶瓷球或钢球，置入具有盖子的塑料容器内，备用；

所述的铝粉、氧化锆和热固性或改性的热塑性高分子材料粉末的粒度在1- 100微米之间。

3）、装入模具：取一定量的混合粉末装入具有耐热不粘涂层的光滑模具内并盖上压板或盖子，压板或盖子和粉末接触面需要有不粘涂层；

4）、低温成型：将上述模具放入已经预热的空气循环炉或平板炉内预热成型，进行低温成型处理；

所述的空气循环炉，其预热成型温度为180-250 ^oC，低温成型时间为8-12分钟。

所述的平板炉，其预热成型温度为180-250 ^oC，低温成型时间为3-5分钟。

5）、保温：将经预热成型的模具转入另一已预热至130 ^oC的炉子内保温，保温时间≥2小时，使混合的高分子粉末固化，待模具降温后，取出固化的材料；

6）、放入氧化炉：取出的固化材料，放置在较薄的轻质氧化铝或高温陶瓷板或高温蜂窝陶瓷板上，用小陶瓷块支撑并放上多孔高温陶瓷盖板，放入空气循环的氧化炉内；

所述的蜂窝陶瓷板的网格孔径≤3毫米。

7）、氧化处理：将氧化炉从室温加热至600-650^oC，加热时间为3小时，保温1-2小时，待冷却后或直接转入高温烧结炉内；

8）、高温烧结: 将转入高温烧结炉内的材料再加热到1650-1800 ^oC，加热速度为2-3小时，保温1-2小时，然后随炉冷却至100^oC以下，并从炉子中取出，即为制得的多孔或泡沫陶瓷；

9）、切割：将上述多孔或泡沫陶瓷按照所需规格进行切割。

本发明，主要有以下几方面特点: (1) 该方法主要利用高分子流变特性来实现低温成型并利用高分子在后续氧化处理过程中燃烧去除来产生所需的孔隙率；(2) 孔径的控制可以通过低温成型的热机械处理温度的高低和加热速度的快慢来有效控制；(3) 直接利用微米级铝粉的氧化来实现复合粉末体系，特别是在氧化过程高分子去除时的多孔结构的低温强度，该强度随加热温度的不断提高而提高；(4) 形成的氧化铝和氧化锆复合体系，材料纯度高、力学性能优良，可以后续用于多种工程应用，如铸钢件和钢铁熔炼后浇铸过程中的过滤等。

具体实施方式

高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1、粉末均匀混合：将氧化锆、铝粉和热固性或改性的热塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛树脂、环氧树脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按原子百分比和重量百分比进行称量配比。（1）、首先取40 %（原子百分比）氧化锆和60 %（原子百分比）的铝粉混合；

（2）、再将氧化锆和铝粉的总重量与热固性或改性的热塑性高分子材料的比例按重量百分比混合：氧化锆+铝粉为30 %（重量百分比），热固性或改性的热塑性高分子材料为: 70 %（重量百分比）混合，形成混合粉末。氧化锆和铝粉的比例决定所需的孔隙率的比例。

2、混磨：在混合粉末中加入20-30粒直径为10-12毫米的氧化铝陶瓷球或钢球，在V型结构的混料机上以速度为60-120转/分的速度混磨2-4小时后，用小于所用球的尺寸10-12毫米的粗网格过筛以便取出陶瓷球或钢球，置入具有盖子的塑料容器内，备用。

上述各种粉末材料的粒度要求在100微米以内，如铝粉，氧化锆粉，高分子粉的粒度需要在100微米以内，其中铝粉粒度最好小于50微米以保证在加热过程中完全氧化而不发生后续加热过程中的熔化，同样，铝粉粒度也不能小于1微米，因为铝粉粒度小于1微米，增加了铝粉操作过程中易燃的危险性。高分子的粒度对最后材料的孔径尺寸有决定作用，所以如果需要孔径尺寸小，需要选择高分子的粒度相对要小为原则。

3、装入模具：取一定量的混合粉末装入具有耐热不粘涂层的光滑模具内并盖上压板或盖子，压板或盖子和粉末接触面需要有不粘涂层。

4、低温成型：将上述模具放入已经预热的空气循环炉或平板炉内预热成型，进行低温成型处理，成型时间需要根据沉积粉末的厚度和炉子温度进行有效控制。在平板炉上成型时，温度在180-250 ^oC，需要时间在3-5分钟；如在空气循环炉内进行低温成型时，成型时间需适当延长，需要为8-12分钟。一旦成型完成后，将其转移到已经预热到130 ^oC的空气循环炉内进行固化处理，实现高分子的热固性稳定化处理。

5、保温：将经预热成型的模具转入另一已预热至130 ^oC的炉子内保温，保温时间≥2小时，处理时间大于或等于2小时即可(超过两小时或更长，对质量没有影响)。使混合的高分子粉末固化，待模具降温后，取出固化的材料进入下一步的氧化过程。

6、放入氧化炉：将固化材料，放置在较薄的轻质氧化铝或高温陶瓷板或高温蜂窝陶瓷板上，用小陶瓷块支撑并放上多孔高温陶瓷盖板，放入由空气循环的氧化炉内；用蜂窝陶瓷板时的网格孔径≤3毫米。

7、氧化处理：将氧化炉从室温加热至600-650^oC，加热时间为3小时，保温1-2小时，待冷却后或直接转入高温烧结炉内。

8、高温烧结: 将转入高温烧结炉内材料再加热到1650-1800 ^oC，加热速度为2-3小时，保温1-2小时，然后随炉冷却至100^oC以下，并从炉子中取出，即为制得的多孔或泡沫陶瓷。

铝粉的氧化过程，需要根据铝粉的粒度及其氧化程度来决定其加热曲线。由于铝粉的氧化可以实现高分子燃烧去除过程中复合陶瓷粉体具有一定强度并形成多孔或泡沫结构，而不会坍塌。通常氧化过程的曲线为: 从室温到600 ^oC或650 ^oC加热时间为3小时。然后在该温度下保温1-2小时后，移至高温烧结炉内加热到1650 ^oC-1800^oC。加热速度可以为2或3小时，并在1650 ^oC-1800^oC适当保温1-2小时，而后随炉冷却至低温100 ^oC以下，取出泡沫材料并测试其基本的力学性能。根据所测试的力学性能决定其可以作为高温钢液过滤器能承受的冲击等以及建议材料在过滤中所放置的位置。

9、切割：将上述多孔或泡沫陶瓷按照所需规格进行切割。

本发明利用了复合粉末体系中铝粉在加热过程中的氧化，高分子粉末在氧化过程中燃烧，铝粉在低温发泡和后续完全氧化并实现和氧化锆烧结在一起，实现混合体系中高分子去除时由铝粉氧化过程来保证复合粉末体系的多孔骨架结构形成。

在加热曲线中，保证在室温至600-650 ^oC和在该温度下的保温时铝粉颗粒完全氧化转变成氧化铝，并实现复合粉末体系氧化烧结过程中具有一定的低温和中温强度。

铝粉氧化后氧化铝和氧化锆陶瓷粉的复合及高温烧结，形成泡沫结构高温陶瓷，在加热过程中，铝粉颗粒在600-650 ^oC前，既完全氧化转化成氧化铝，又提供了复合颗粒体系多孔结构的强度，这一多孔或泡沫复合体系随加热温度提高和加热时间的延长，其多孔结构的连接强度愈来愈高。

整个工艺最经济的加热曲线也称热机械处理过程工艺是: 从室温到600-650 ^oC，3小时，在600-650 ^oC 保温1小时，然后从600-650 ^oC升温至1650 ^oC-1800^oC为2小时，在1650 ^oC-1800^oC 保温1小时，而后关掉电源，随炉冷却。但是在600-650 ^oC保温和1650 ^oC-1800^oC保温可以适当延长时间，即可分别增加到2或3小时。

本发明，有效利用低温下铝粉氧化来实现多孔骨架结构形成所需的强度，并随后续氧化温度提高，铝粉经完全氧化转化为氧化铝并与氧化锆烧结在一起形成氧化铝和氧化锆混合成分的高温多孔陶瓷过滤器。其制造工艺简单，易于实现批量工业化生产。

Claims

1.高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，包括以下步骤：1）粉末均匀混合；2）、混磨；3）装入模具；4）预热成型；5）保温固化；6）放入氧化炉；7）氧化处理；8）高温烧结；9）切割；其特征在于：

1）、粉末均匀混合：将氧化锆、铝粉和热固性或改性的热塑性高分子材料如聚胺脂、酚醛树脂、环氧树脂聚乙烯/聚丙烯的粉末按原子百分比和重量百分比进行配比；（1）、首先将氧化锆和铝粉的比例按照原子百分比: 10%-90 %： 90%-10 %的比例混合；

（2）、再将氧化锆和铝粉的总重量与热固性或改性的热塑性高分子材料的比例按重量百分比混合：氧化锆+铝粉为50-20 %，热固性或改性的热塑性高分子材料为: 50-80 %混合，形成混合粉末；

6）、放入氧化炉：取出的固化材料，放置在较薄的轻质氧化铝或高温陶瓷板或高温蜂窝陶瓷板上，用小陶瓷块支撑并放上多孔高温陶瓷盖板，放入由空气循环的氧化炉内；

8）、高温烧结: 将高温烧结炉内再加热到1650-1800 ^oC，加热速度为2-3小时，保温1-2小时，然后随炉冷却至100^oC以下，并从炉子中取出，即为制得的多孔或泡沫陶瓷；

9）、切割：将上述多孔或泡沫陶瓷按照所需规格进行切割。

2.根据权利要求1所述的高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，其特征在于：所述的步骤2）混磨中的铝粉、氧化锆和热固性或改性的热塑性高分子材料粉末的粒度在1- 100微米之间。

3.根据权利要求1所述的高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，其特征在于：所述的步骤4）低温成型中平板炉的温度为180-250 ^oC的，成型时间为3-5分钟。

4.根据权利要求1所述的高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，其特征在于：所述的步骤4）低温成型中的空气循环炉的温度为180-250 ^oC的，成型时间为8-12分钟。

5.根据权利要求1所述的高温过滤用氧化铝和氧化锆复合多孔陶瓷的的制备方法，其特征在于：所述的步骤6）中的蜂窝陶瓷板的网格孔径≤3毫米。