CN103264533A - 陶瓷-金属间化合物梯度过滤管及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷-金属间化合物梯度过滤管，它是以Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉和TiH₂为原料，通过下述反应合成内层为耐磨耐腐蚀性能好的多孔TiC+TiB₂陶瓷，孔内布满长度10μm的TiB+Ti₃B₄晶须，最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔NiAl+Ni₃Al金属间化合物层，由内到外陶瓷组分逐渐减少、金属间化合物组分逐渐增多；这种过滤管呈内层小孔、孔隙率高，而外层大孔、但孔隙率低的梯度结构。本发明将孔洞做成内层小孔、孔隙率高，而外层大孔但孔隙率低的梯度结构，这样既起到逐层过滤作用，又有利于减少过滤阻力，使得颗粒物不宜堵塞，易于反向冲洗再生，并提高过滤体强度，延长其使用寿命。

Description

陶瓷-金属间化合物梯度过滤管及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种孔径、成分均成梯度分布的多孔过滤管及其制备工艺，尤其是陶瓷-金属间化合物复合材料的过滤管及其制备方法，属于材料合成及加工领域。

背景技术

过滤管是对混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的重要部件，要求高的耐蚀性、耐磨性和耐热性，同时又高的通透性和足够的强度。过滤管按制备材料可分为陶瓷、金属两类。对金属材料而言，其抗氧化性能、耐酸碱腐蚀性能往往很差，使得过滤体的使用环境受到很大限制，使用寿命较短；而陶瓷材料硬而脆，韧性较差，限制了陶瓷过滤体的强度，并且这些过滤体制备技术往往存在制备工艺较复杂，孔结构单一、成本较高等缺点。

中国专利CN1640528A发明了一种孔径梯度均质钛铝金属间化合物过滤膜的制备方法，同时过滤膜孔洞是利用Al元素偏扩散效应来控制，且该膜可以和金属焊接，扩大了无机膜的使用范围。

中国专利CN1011108312A公开了一种制备孔径梯度FeAl金属间化合物均质过滤膜的方法，采用模压或冷等静压方式，分别制成片状或管状过滤坯，再采用磁控溅射或离子镀或热蒸镀的方式在过滤坯的一面均匀镀上一层金属Al膜和一层金属Fe膜，用无压烧结方法合成。

美国专利US2011097259A1发明了一种多相催化中的具有孔隙率梯度的陶瓷泡沫，具有轴向和径向孔隙率梯度。

中国专利CN287048A发明了一种梯度陶瓷膜管及其制备方法，该陶瓷膜管的膜孔孔径管内向外呈连续增大的梯度分布；制备方法是将基料和水溶性粘结剂在载体中经过搅拌制成浆料，利用离心铸造陶瓷膜管机制成梯度陶瓷膜管生坯，生坯烘干后经脱模、烧结、冷却得到梯度陶瓷膜管。

中国专利CN1532170A提供了一种梯度孔陶瓷过滤元件的制备方法，该方法是将不同力度的陶瓷分体分别同高温结合剂溶液混合，经球磨后喷雾造粒，在陶瓷粉体表面包覆一层高温结合剂，形成不同粒度的骨科粒子，然后将骨科粒子分别与成型结合剂、增孔剂、水混合形成坯料，按坯料粒度不同分别布入不同的模具层中，然后将模具层脱出、等静压成型、干燥，最后将坯体高温烧成。

中国专利CN1623627A发明了一种梯度分布的过滤材料及其制备方法，该过滤材料是几种纤维搭建的从上至下呈现的孔径减小的梯度分布的过滤体，这种由上而下的梯度连续变化可以有选择地收集被过滤流体中的颗粒，提高了纳污空间，减小了过滤阻力。

中国专利CN101564621A发明了一种梯度孔隙结构钛滤芯及其制备方法，该方法将钛粉、氢化钛粉、氯化钠粉混合均匀后与粘结剂混合制粒，采用粉末共注射成形技术制得形坯，脱脂脱盐、烧结后得制品，该制品实现高界面结合强度并达到了可控的空隙结构，在工艺方面实现了近净成形。

上述制备的材料大部分只注重了多孔材料在孔径梯度上的分布，而忽略了原料的成分梯度分布和机械性能梯度，使制备出来的过滤体过滤效率低，不易冲洗，并且过滤体强度低，使用寿命短，制备工艺复杂。

发明内容

为了克服现有过滤体过滤阻力大、过滤效率和过滤精度低、不易冲洗、使用寿命短和制备工艺复杂的技术缺陷，本发明提出一种设计成份、耐磨耐蚀性能、孔隙率和孔径皆成梯度分布的过滤管，称为：陶瓷-金属间化合物梯度过滤管。

本发明同时提供这种过滤管的制备方法。

为达到上述目的，本发明的过滤管是以Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉和TiH₂为原料，通过下述反应合成内层为耐磨耐腐蚀性能好的多孔TiC+TiB₂陶瓷，孔内布满长度10μm的TiB+Ti₃B₄晶须，最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔NiAl+Ni₃Al金属间化合物层，由内到外陶瓷组分逐渐减少，金属间化合物组分逐渐增多；这种过滤管呈内层小孔、孔隙率高，而外层大孔但孔隙率低的梯度结构，其径向抗压强度为23～34Mpa，总孔隙率为33～63%，内层孔径为35～53μm，外层孔径为55～110μm；反应式为：

（1）Ni+Al→NiAl+Ni₃Al

（2）Ti+B₄C→TiB₂+TiC+TiB+Ti₃B₄

（3）TiH₂→Ti+H₂

（4）Ti+SiC→TiSiC

本发明过滤管的制备方法如下：

第一步：粉末原料及填充料准备

取Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉，其中，Ni粉粒径为38～50μm，Al粉粒径为55～85μm，Ti粉粒径为45～85μm，B₄C粉粒径为6.5～10μm，SiC粉粒度10～15μm，填充料用干燥细腻的海砂，粒度约60～85μm；

第二步：粉末烘干

将上述粉末分别在50℃的电阻炉中烘干4小时，待用；

第三步：粉末称量

将烘干后的粉末按照摩尔比Ni:Al=2:1、Ti:B₄C=5:1、Ti:SiC=1:1称量粉末，三种粉末分别标记为①、②、③；

第四部：内层和外层原料准备

内层粉末为②+③，其中②占②+③质量比80～100wt%，其余为③，在称量好的内层粉末中添加占②+③体积比为5～20vol.%的TiH₂，TiH₂粒度小于74μm；

外层粉末为①；

其中TiH₂起到造孔剂、发热剂的作用，也提供一部分Ti源；

将外层和内层粉末分别在三纬混合机上混合2小时,备用；

第五步：将原料装模及原坯准备

模具为厚度0.3～0.5mm的不锈钢薄壁管，厚度忽略不计，内管直径Φ40～60mm、中管Φ50～70mm、外管Φ60～80mm、套管Φ100～200mm，四种管高度一致，皆为100～200mm；

将内管置于旋转盘上对应的卡槽中，在内管中倒入干燥的海砂，边转动转盘边敲击内管振实；将中管置于旋转盘上对应的卡槽中，在中管和内管之间倒入混合好的内层原料，边转动转盘边敲击中管振实；将外管置于旋转盘上对应的卡槽中，在外管和中管之间倒入混合好的外层原料，边转动转盘边敲击外管振实；将套管置于旋转盘上对应的卡槽中，在套管和外管中倒入干燥的海砂，边转动转盘边敲击套管振实，将内管、中管、外管三层管状模具轻轻由下而上垂直提出，形成过滤管的原坯；

第六步：预热

将旋转盘连同套管、过滤管原坯、填充海砂一同放进电阻炉中，加热到300℃保温1小时；

第七步：反应合成

将通电的钨丝置于预热后过滤管的原坯上方引发反应，反应自上向下蔓延，内层和外层粉体反应沿着径向相互促进，相互扩散迁移，大约10～13秒后反应完成，最终产品中的组分、孔径、孔隙率沿着径向呈现梯度分布；

第八步：清理

将反应后的产物即过滤管自砂子中取出，清理过滤管内壁和外壁粘附的砂子即可。形成的过滤管内层主要是TiC+TiB₂+TiSiC+TiB+Ti₃B₄陶瓷复合材料，硬度高、耐磨耐蚀性好，内层的连通孔中布满反应形成的长度约10μm的TiB+Ti₃B₄晶须，有利于提高过滤精度；外层主要是NiAl+Ni₃Al金属间化合物材料，强度高；

经检测：该过滤管的内径Φ40～60mm、外径Φ60～80mm，壁厚10mm，高度为100～200m；过滤管的径向抗压强度为23～34Mpa，总孔隙率为33～63%，过滤管内层孔径为35～53μm,过滤管外层孔径为55～110μm。

本发明多孔过滤管的孔隙率和抗压强度的检测方法分别依据国标GB/T1966-1996、GB/T1964-1996。

本发明的优点是：

1、本发明内层用硬度高、耐磨耐腐蚀性能好的多孔陶瓷层，最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔金属间化合物层，由内到外陶瓷组分逐渐减少，金属间化合物组分逐渐增多；利用物料之间的化学反应合成材料以及孔洞，获得多孔材料，工艺简单、成本低廉；通过添加造孔剂、改变反应物料配比调节孔径、孔隙率在管径方向上的分布，达到调节过滤管过滤效率、过滤精度，减小过滤阻力，提高使用寿命的目的。

2、本发明孔洞尺寸、孔隙率呈现梯度分布，在内层反应物料中添加造孔剂，将孔洞做成内层小孔、孔隙率高，而外层大孔但孔隙率低的梯度结构，即由内向外孔径增大，但孔隙率逐渐减小，这样既起到逐层过滤作用，又有利于减少过滤阻力，使得颗粒物不宜堵塞，易于反向冲洗再生，并提高过滤体强度，延长其使用寿命。

3、本发明过滤体是以Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉和TiH₂粉为原料，外加经过反应合成制得，制备工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，适合于适用于汽车尾气、化工废气和废液的过滤净化。

附图说明

图1a、1b、1c、1d是本发明原料装模示意图，图中示出了装配过程；

图2本发明过滤管孔径剖面示意图；

图3本发明过滤管内层孔洞结构图，孔内带有晶须；

图4本发明过滤管外层孔洞结构图。

图中：1-内管，2-海砂，3-旋转盘，4-底座，5-内层粉末，6-中管，7-外层粉末，8-外管，9-套管，10-孔洞，11-骨架，12-孔内晶须。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例一

具体实施步骤如下：

第一步：粉末原料及填充料准备

取Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉，其中，Ni粉粒径为38～50μm，Al粉粒径为55～85μm，Ti粉粒径为45～85μm，B₄C粉粒径为6.5～10μm，SiC粉粒度10～15μm。

填充料用干燥细腻的海砂，粒度约60～85μm。

第二步：粉末烘干

将原料粉末分别在50℃的电阻炉中烘干4小时，待用。

第三步：粉末称量

将烘干后的粉末按照摩尔比Ni:Al=2:1、Ti:B₄C=5:1、Ti:SiC=1:1称量粉末，三种粉末分别标记为①、②、③；

第四步：内层和外层原料准备

内层粉末为②+③，其中②占②+③质量比100wt%，③为0%，在称量好的内层粉末中添加占②+③体积比为20vol.%的TiH₂，TiH₂粒度小于74μm；

外层粉末为①；

将外层和内层粉末分别在三纬混合机上混合2小时,备用。

第五步：将原料装模及原坯准备

模具为厚度0.3～0.5mm的不锈钢薄壁管，厚度忽略不计，内管1直径Φ40mm、中管6直径Φ50mm、外管8直径Φ60mm、套管9直径Φ100mm，四种管高度皆为100mm；

装配过程依次见图1a、1b、1c、1d：

从图1a中可以看出，装配内管1时，将内管1置于旋转盘3上对应的卡槽中，在内管1中倒入干燥的海砂2，边转动转盘边敲击内管1振实；

从图1b中可以看出，装配中管6时，将中管6置于旋转盘3上对应的卡槽中，在中管6和内管1之间倒入混合好的内层粉末5原料，边转动转盘边敲击中管6振实；

从图1c中可以看出，装配外管8时，将外管8置于旋转盘3上对应的卡槽中，在外管8和中管6之间倒入混合好的外层粉末7原料，边转动转盘边敲击外管8振实；

从图1d中可以看出，装配套管9时，将套管9置于旋转盘上对应的卡槽中，在套管9和外管8中倒入干燥的海砂2，边转动转盘边敲击套管9振实；

最后将内管1、中管6、外管8三层管状模具轻轻由下而上垂直提出，形成过滤管的原坯。

第六步：预热

将旋转盘3连同套管9、过滤管原坯、填充海砂2一同放进电阻炉中，加热到300℃保温1小时。

第七步：反应合成

将通电的钨丝置于预热后过滤管的原坯上方引发反应，反应自上向下蔓延，内层和外层粉体反应沿着径向相互促进，相互扩散迁移，大约10～13秒后反应完成，最终产品中的组分、孔径、孔隙率沿着径向呈现梯度分布。

第八步：清理

将反应后的产物即过滤管自砂子中取出，清理过滤管内壁和外壁粘附的砂子即可。制备好的过滤管图孔径剖面示意图、内层孔洞结构图以及外层孔洞结构图分别见图2、图3和图4。

从图2可以看出，过滤管内具有孔洞10，孔洞分布在骨架11之间，内层孔洞尺寸小，孔内带有晶须12，孔径、孔隙率沿着过滤管径向呈现梯度分布。

从图3和图4的孔洞微观形貌照片也可以看出：制备好的过滤管呈内层小孔、孔隙率高，孔内带有晶须，而外层大孔但孔隙率低。

经检测：所得过滤管的内径Φ40mm、外径Φ60mm、壁厚10mm，高度为100mm；过滤管的径向抗压强度为23Mpa，总孔隙率为63%，内层孔径为35～53μm，外层孔径为83～110μm。各项工艺及产品性能参数如表1。

表1实施例1工艺及产品性能参数

实施例二

除了第四步中内层粉末②+③中②质量比80wt%，其余为③之外，其余步骤与实施例一相同。

所得过滤管的内径Φ40mm、外径Φ60mm、壁厚10mm，高度为100mm；过滤管的径向抗压强度为29Mpa，总孔隙率为59%，内层孔径为35～53μm,外层孔径为73～95μm。各项工艺及产品性能参数如表2。

表2实施例2工艺及产品性能参数

实施例三

除了第四步中在称量好的内层粉末中添加体积比为5vol.%的TiH₂之外，其余步骤与实施例一相同。

所得过滤管的内径Φ40mm、外径Φ60mm、壁厚10mm，高度为100mm；过滤管的径向抗压强度为34Mpa，总孔隙率为33%，内层孔径为35～53μm,外层孔径为55～87μm。各项工艺及产品性能参数如表3

表3实施例3工艺及产品性能参数

实施例四

除了第四步中内层粉末②+③，其中②质量比90wt%，其余为③，第五步中模具内管直径Φ60mm、中管Φ70mm、外管Φ80mm，四种管高度一致，皆为200mm之外，其余步骤与实施例一相同。

所得过滤管的内径Φ60mm、外径Φ80mm、壁厚10mm，高度为200mm；过滤管的径向抗压强度为25Mpa，总孔隙率为61%，内层孔径为35～53μm,外层孔径为75～105μm。各项工艺及产品性能参数如表4

表4实施例4工艺及产品性能参数

实施例五

除了第四步中在称量好的内层粉末中添加体积比为10vol.%的TiH₂之外，其余步骤与实施例四相同。所得过滤管的内径Φ60mm、外径Φ80mm、壁厚10mm，高度为200mm；过滤管的径向抗压强度为27Mpa，总孔隙率为43%，内层孔径为35～53μm,外层孔径为55～87μm。各项工艺及产品性能参数如表5

表5实施例5工艺及产品性能参数

Claims (3)

1.一种陶瓷-金属间化合物梯度过滤管，其特征在于，它是以Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉和TiH₂为原料，通过下述反应合成内层为耐磨耐腐蚀性能好的多孔TiC+TiB₂陶瓷，孔内布满长度10μm的TiB+Ti₃B₄晶须，最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔NiAl+Ni₃Al金属间化合物层，由内到外陶瓷组分逐渐减少、金属间化合物组分逐渐增多；这种过滤管呈内层小孔、孔隙率高，而外层大孔、但孔隙率低的梯度结构，过滤管径向抗压强度为23～34Mpa，总孔隙率为33～63%，内层孔径为35～53μm，外层孔径为55～110μm；反应式如下：

Ni+Al→NiAl+Ni₃Al

Ti+B₄C→TiB₂+TiC+TiB+Ti₃B₄

TiH₂→Ti+H₂

Ti+SiC→TiSiC。

2.一种如权利要求1所述的陶瓷-金属间化合物梯度过滤管的制备方法，其特征在于，

第一步：粉末原料及填充料准备

取Ni粉、Al粉、Ti粉、B₄C粉、SiC粉，其中，Ni粉粒径为38～50μm，Al粉粒径为55～85μm，Ti粉粒径为45～85μm，B₄C粉粒径为6.5～10μm，SiC粉粒度10～15μm，填充料用干燥细腻的海砂，粒度约60～85μm；

第二步：粉末烘干

将上述粉末分别在50℃的电阻炉中烘干4小时，待用；

第三步：粉末称量

将烘干后的粉末按照摩尔比Ni:Al=2:1、Ti:B₄C=5:1、Ti:SiC=1:1称量粉末，三种粉末分别标记为①、②、③；

第四部：内层和外层原料准备

内层粉末为②+③，其中②占②+③质量比80～100wt%，其余为③，在称量好的内层粉末中添加占②+③体积比为5～20vol.%的TiH₂，TiH₂粒度小于74μm；

外层粉末为①；

其中TiH₂起到造孔剂、发热剂的作用，也提供一部分Ti源；

将外层和内层粉末分别在三纬混合机上混合2小时,备用；

第五步：将原料装模及原坯准备

模具为厚度0.3～0.5mm的不锈钢薄壁管，厚度忽略不计，内管直径Φ40～60mm、中管Φ50～70mm、外管Φ60～80mm、套管Φ100～200mm，四种管高度一致，皆为100～200mm；

将内管置于旋转盘上对应的卡槽中，在内管中倒入干燥的海砂，边转动转盘边敲击内管振实；将中管置于旋转盘上对应的卡槽中，在中管和内管之间倒入混合好的内层原料，边转动转盘边敲击中管振实；将外管置于旋转盘上对应的卡槽中，在外管和中管之间倒入混合好的外层原料，边转动转盘边敲击外管振实；将套管置于旋转盘上对应的卡槽中，在套管和外管中倒入干燥的海砂，边转动转盘边敲击套管振实，将内管、中管、外管三层管状模具轻轻由下而上垂直提出，形成过滤管的原坯；

第六步：预热

将旋转盘连同套管、过滤管原坯、填充海砂一同放进电阻炉中，加热到300℃保温1小时；

第七步：反应合成

将通电的钨丝置于预热后过滤管的原坯上方引发反应，反应自上向下蔓延，内层和外层粉体反应沿着径向相互促进，相互扩散迁移，反应完成后最终产品中的组分、孔径、孔隙率沿着径向呈现梯度分布；

第八步：清理

将反应后的产物即过滤管自砂子中取出，清理过滤管内壁和外壁粘附的砂子即可。

3.如权利要求1所述的陶瓷-金属间化合物梯度过滤管在汽车尾气、化工废气和废液的过滤净化中的应用。

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