CN103232228A - 一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法 - Google Patents

一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法，以氧化铝作基体、硅藻土作造孔剂，将原料按配比球磨湿混；将混料烘干、过筛、干压成型、预烧结；在多功能烧结炉中Ar氛下烧结，在烧至规定温度后保温一段时间，自然冷却至室温，得成品。本发明制得产品性能好，多孔氧化铝的气孔率可以达到48.1%，比无硅藻土同比提高10%，弯曲强度可以达到90.5MPa，断裂韧性可以达到1.53Mpa·m1/2。

Description

一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种无机非金属材料制备方法，尤其是一种硅藻土作造孔剂的多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法。
背景技术
目前，多孔氧化铝陶瓷较高的孔隙率的特性,使其对液体和气体介质具有有选择的透过性,较低的热传导性能,再加上陶瓷材料固有的耐高温、抗腐蚀、高的化学稳定性的特点,使其在气体和液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等众多领域有着广泛的应用前景。多孔氧化铝陶瓷上述优异的性能和低廉的制造成本,引起了科学界的高度关注。
多孔氧化铝常用的制备方法有有机泡沫成型孔法、颗粒堆积形成气孔、铝板阳极氧化法及凝胶注模成型等方法。但是，这些方法制备样品气孔率和力学性能不可兼得。有机泡沫材料作为一种中间体，容易产生烧结残留物，容易在烧结过程变为有害气体，造成环境污染；颗粒堆积法制备多孔材料的气孔率较低，一般为20%～30%左右。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法，该方法以廉价的多孔结构硅藻土为造孔剂，使用的设备简单而且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高，气孔率高。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法，步骤如下：
（1）按重量比90～60:10～40称取Al2O3基体、硅藻土作为原料，然后装入球磨罐中，使用氧化铝球球磨，以无水乙醇为溶剂，溶剂没过氧化铝球为宜，氧化铝球与原料按重量比为5-7:1，室温下300-500r/min球磨5～8小时形成混合粉料；
（2）将球磨后的混合粉料烘干24小时，200目过筛后，加粘结剂搅拌均匀置于模具中，30～40Mpa压力下干压成型，干燥，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至600～700℃预烧结，保温1～2h；
（3）将步骤（2）保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品置于多功能烧结炉中以10℃/min升温至1450～1550℃，Ar气氛下烧结，在氩气压力为1-5个大气压下保温1～2小时停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
所述步骤（1）中的Al2O3基体为Al2O3粉体。
所述步骤（2）中的粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为15-20:1。
所述步骤（2）中的干燥方法为100～120℃干燥10～12h。
所得成品经磨削，切割等工艺，进行其它的性能测试。
所述步骤（2）中的模具是现有的设备，市场上有售，在此不再赘述。
硅藻土是由水生植物硅藻的遗骸沉积矿化作用而形成的生物矿物材料，本质是无定型的非晶质SiO2；由于其生物成因,具有独特的有序排列的微孔结构、孔隙率高、孔体积大、质量轻、堆积密度小、导热系数低等优点，并且其分布广泛,价格低廉。
硅藻土固有圆盘形多孔结构在烧结前阻止颗粒堆积、烧结后收缩可以造孔，基体颗粒之间的低共熔物有助于减少颗粒之间的粘结尖端，增加孔壁平滑性，可阻止微裂纹的产生和扩展，对陶瓷孔结构及力学性能都将产生积极影响，且SiO2相变物不会带来杂质，不会对环境产生污染。本发明采用普通的无压烧结，以硅藻土为造孔剂，使用的设备较为简单，在较低的成本下即可制备出性能较好的多孔氮化硅陶瓷。
本发明有益效果是：使用的设备简单而且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。产品性能好，多孔氮化硅的气孔率可以达到48.1%，比无硅藻土同比提高10%，弯曲强度可以达到90.45MPa，断裂韧性可以达到1.53MPa·m1/2。
附图说明
图1为本发明制得的硅藻土造孔多孔氧化铝样品的X-射线衍射图；
图2（a）为硅藻土的形貌图；
图2（b）为本发明制得的样品的扫描电镜形貌图；
图3为本发明制得的硅藻土造孔多孔氧化铝样品的弯曲强度曲线；
图4为本发明制得的硅藻土造孔多孔氧化铝样品的断裂韧性曲线；
图5为本发明制得的硅藻土造孔多孔氧化铝样品的气孔率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
将18g Al2O3粉体和2.0g硅藻土为原料放入球磨机，使用氧化铝球为球磨球，以无水乙醇为溶剂（以没过氧化铝球为宜），氧化铝球与原料按重量比为7:1，室温下300r/min球磨6小时；将球磨后的混合粉料烘干过筛200目后，加粘结剂搅拌均匀置于模具中，在40MPa压力下干压成型，100℃干燥12h，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至700℃预烧结，保温1h；然后将保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品在多功能烧结炉中以10℃/min升温至1450℃，Ar气氛下进行烧结，在氩气压力为1个大气压下保温1小时后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
其中，粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为15:1。
图1是本实施例制得的多孔材料的X-射线衍射图。从图中衍射峰可见，复合材料以Al2O3为主相，硅藻土以石英相存在，并有少量的Al2O3与SiO2复合物莫来石生成，这与断口形貌图观察结果相符。
图2（a）是完整硅藻土的形貌图，可见其具有有序排列微孔的平滑蝶形结构。图2（b）是制得样品的断裂形貌图，图2（b）显示孔隙分布均匀，孔隙率高，且多为小孔径结构，孔壁周围存在许多球形微小颗粒，可判断其是硅藻土与基体熔融收缩形成的，这些平滑尖端的存在有助于其结构和力学性能的改善。
图3和图4是本实施例制得的多孔材料的弯曲强度和断裂韧性的变化曲线。图中可见，相比于无硅藻土样品，添加硅藻土时陶瓷力学性能基本呈先平稳再上升趋势。随着硅藻土添加量由10%增加至40%时，强度韧性呈先平稳后增加趋势，同时气孔率先增加后减少，由于硅藻土添加少量时，硅藻土起造孔作用；超过一定量时Al2O3和SiO2形成的低共熔物增加，粘结作用增大，所以气孔率又下降。参考图5气孔率变化曲线，加10%硅藻土时气孔率最大，达到48.1%，相对提高约10%(无硅藻土样品气孔率44%)；同时强度韧性分别达到60.5MPa和0.93MPa·m1/2，与纯氧化铝相当。
可见该实施事例所制得试样达到了增加气孔率的要求，效果良好。
实施例2
将16g Al2O3粉体和4.0g硅藻土为原料放入球磨机，使用氧化铝球为球磨球，以无水乙醇为溶剂（没过氧化铝球为宜），氧化铝球与原料比为5:1，室温下400r/min球磨5小时；将球磨后的混合粉料烘干过筛200目后，加粘结剂搅拌均匀置于模具中，在30MPa压力下干压成型，110℃干燥10h，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至600℃预烧结，保温2h；然后将保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品在多功能烧结炉中以10℃/min升温至1500℃，Ar气氛下进行烧结，在氩气压力为5个大气压下保温2小时后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
其中，粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为20:1。
该实施例所制得试样强度为60.3MPa，韧性1.03MPa·m1/2，气孔率42.6%，由于硅藻土含量的增加，其与氧化铝形成的低共熔物量增加，对氧化铝晶粒产生的粘结作用抵消了硅藻土的造孔作用，虽说气孔率相较实施例1没有很明显增加，但总体力学性能达到了较高要求。
实施例3
将14g Al2O3粉体和6.0g硅藻土为原料放入球磨机，使用氧化铝球为球磨机，以无水乙醇为溶剂（没过氧化铝球为宜），氧化铝球与原料按重量比为6:1，室温下500r/min球磨8小时；将球磨后的混合粉料烘干过筛200目后，加粘结剂搅拌均匀置于模具中，在35MPa压力下干压成型，120℃干燥11h，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至650℃预烧结，保温1.5h；然后将保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品在多功能烧结炉中以10℃/min升温至1550℃，Ar气氛下进行烧结，在氩气压力为3个大气压下保温1.5小时后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
其中，粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为17:1。
该实施例所制得试样强度为76.6MPa（提高约26%），韧性1.29MPa·m1/2（提高约25%），气孔率35.7%（降低约19%），由于硅藻土与氧化铝形成的低共熔物起到粘结的作用增加，强度韧性是有一定程度提高，而且气孔率下降较少，说明该实施例对材料仍有性能改善。
实施例4
将12g Al2O3粉体和8.0g硅藻土为原料放入球磨机，使用氧化铝球为球磨球，以无水乙醇为溶剂（没过氧化铝球为宜），氧化铝球与原料按重量比为7:1，室温下350r/min球磨6小时；将球磨后的混合粉料烘干过筛200目后，加粘结剂搅拌均匀置于模具中，在40MPa压力下干压成型，120℃干燥12h，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至700℃预烧结，保温1h；然后将保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品在多功能烧结炉中以10℃/min升温至1500℃，Ar气氛下进行烧结，在氩气压力为2个大气压下保温2小时后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
其中，粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为15:1。
该实施例所加硅藻土含量达到40%，硅藻土与氧化铝所形成的晶界相增加，再有保温时间增加，气孔率没有很大的下降，但力学性能有很大提高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种多孔氧化铝复合陶瓷的制备方法，其特征是，步骤如下：
（1）按重量比90～60:10～40称取Al2O3基体、硅藻土作为原料，然后装入球磨罐中，使用氧化铝球球磨，以无水乙醇为溶剂，溶剂没过氧化铝球为宜，氧化铝球与原料按重量比为5-7:1，室温下300-500r/min球磨5～8小时形成混合粉料；
（2）将球磨后的混合粉料置于烘箱中24h至烘干，200目过筛后，加粘结剂搅拌均匀置于自制成型模具中，30～40Mpa压力下干压成型，干燥，在电阻炉中以3摄氏度/分钟升温至600～700℃预烧结，保温1～2h；
（3）将步骤（2）保温后的混合粉料和粘结剂预烧结产品置于多功能烧结炉中以10℃/min升温至1450～1550℃，Ar气氛下烧结，在氩气压力为1-5个大气压下保温1～2小时停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（1）中的Al2O3基体为Al2O3粉体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（2）中的粘结剂为聚乙烯醇水溶液，即按照5g聚乙烯醇粉体溶于100ml水比例，煮沸至澄清，混合粉料与粘结剂质量比为15-20:1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（2）中的干燥方法为100～120℃干燥10～12h。
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