CN114315410B - 一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，本发明中以氧化铝粉末、碳纳米管、碳化硅和聚甲基丙烯酸甲酯微球为原料，添加烧结助剂和硅酸钠水溶液球磨，制得陶瓷浆料，陶瓷浆料经过造粒、模压成型、烘干、碳化和高温烧结制得陶瓷材料，本发明制得的陶瓷材料真气孔率为95.7％、闭孔率为95.3％、抗压强度为6.74MPa、吸水率为8.7％和导热系数0.012W·m‑1·k‑1。表明本发明制得的陶瓷材料具有良好的隔热、防水防潮和抗压性能。
Description
技术领域
本发明涉及隔热陶瓷领域，特别涉及一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法。
背景技术
随着国家对碳排放的严控，节能减排越来越受到企业的重视。隔热多孔陶瓷材料是一种新型环保材料，要求材料具有良好的隔热效果，能够有效抵抗高温对材料的破坏，并且保持良好的隔热效果。传统的隔热材料主要以岩棉纤维组成的具有不规则孔洞多孔材料为主，岩棉使用硅酸盐材质拉丝而成的纤维，具有良好的强度和一定的耐火性。但是，当温度高于600℃后，岩棉会分解成球珠状，从而破坏了多孔材料的隔热效果。高分子材料具有高的气孔率，隔热效果较好，但是高分子材料耐高温性能不好，只能在略高于室温条件下使用。为了能够保持材料良好的隔热效果和较高的耐高温性能，本发明制备一款耐高温隔热材料，能够承受1000℃以上高温，保持不变形，隔热效果不衰减。多孔陶瓷材料具有良好的气孔率，对于热散射的传输有着良好的阻碍作用，闭孔陶瓷材料不仅具有隔热、保温、隔音效果的同时，还具有防水和防潮性能。
目前，CN201410627847.2一种闭孔型多孔氧化铝隔热陶瓷的制备方法，制得的陶瓷气孔率为60％，CN201510029899.4一种孔径可控的闭孔氧化铝基陶瓷的制备方法，闭孔率为5-30％。因此，需要提出一种新的闭孔陶瓷的制备方法，提高陶瓷材料真气孔率和闭孔率，并提高陶瓷材料的防水防潮性能。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，制得的陶瓷材料不仅具有隔热性能，还具有良好的防水性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份计，将35-40份的氧化铝粉末、3-5份的碳纳米管、0.5-1.5份的碳化硅和1-2份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
(2)将混合粉末、烧结助剂和硅酸钠水溶液混合，制得混合浆料，将混合浆料放入陶瓷罐中球磨，制得陶瓷浆料。
(3)将陶瓷浆料在喷雾干燥塔中造粒，喷雾干燥塔温度为500-520℃，制得造粒后的粉末。
(4)将造粒后的粉末进行模压成型，成型压力为1-1.5MPa，将压模后的胚体放入烘箱中烘干2-3h，制得烘干后的胚体。
(5)将烘干后的胚体进行真空碳化，再进行高温烧结，制得成品。
进一步的，步骤(2)中，按重量份计，所述烧结助剂为3-5份氧化钇、5-7份酚醛树脂和1.5-2.5份腈纶。
进一步的，步骤(2)中，所述硅酸钠水溶液质量浓度为5-6％。
进一步的，所述混合粉末、烧结助剂和硅酸钠水溶液质量比为1:0.2-0.3:3.5-4。
进一步的，步骤(2)中，所述球磨为以刚玉球为球磨介质，在球磨速度为350-450r/min条件下球磨24-48h。
进一步的，步骤(4)中，所述烘干温度为100-130℃。
进一步的，步骤(5)中，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以10-20℃/min的升温速率升温至800℃，保温2-3h，随炉冷却。
进一步的，步骤(5)中，所述高温烧结工艺为以10-20℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为50-60℃升温至1000℃，保温5-6h，保温后的胚体，随炉冷却。
进一步的，步骤(2)中，所述陶瓷浆料平均粒径为0.5-1μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以氧化铝粉末、碳纳米管、碳化硅和聚甲基丙烯酸甲酯微球混合制得混合物料，将混合物料、烧结助剂和硅酸钠水溶液按比例混合进行球磨，制得陶瓷浆料，本发明中通过原料合理配比，控制球磨速度和时间，能够制得颗粒平均粒径为0.5-1μm的陶瓷浆料，而且陶瓷浆料各组分分散均匀，有利于在后续碳化和烧结过程中控制气孔的尺寸，提高陶瓷材料的隔热和防水防潮性能。本发明原料中不添加发泡剂，可以减少由发泡剂引入的杂质造成材料结构粗化，导致孔隙率增加、气孔率下降，陶瓷材料性能下降。
本发明中压模后的胚体经过烘干-碳化-高温烧结工艺制得陶瓷材料，不仅能过提高成品的抗压强度，而且提高成品的真气孔率和闭孔率。真空碳化工艺，通过合理的升温速率、温度设置和保温时间可以提高陶瓷材料中的闭孔率；高温烧结工艺中，采用较低的升温速率进行烧结，目的是为了在保证胚体不开裂的情况下，进一步去除胚体中的结合水，在采用较快的升温速率进行烧结，有利于陶瓷材料中的气孔形成和定型。本发明制得的陶瓷材料真气孔率高达95.7％、闭孔率高达95.3％、抗压强度为6.74MPa、吸水率为8.7％和导热系数0.012W·m-1·k-1。
附图说明
图1实施例1制得的陶瓷材料在光学显微镜200X下的表征图。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法
(1)按重量份计，将38份的氧化铝粉末、4份的碳纳米管、1份的碳化硅和1.5份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
(2)按质量比为1:0.25:3.8将混合粉末、烧结助剂和质量浓度为5.5％的硅酸钠水溶液混合，制得混合浆料，所述烧结助剂为4份氧化钇、6份酚醛树脂和1份腈纶，将混合浆料放入陶瓷罐中以刚玉球为球磨介质，在研磨速度为400r/min条件下球磨36h，制得陶瓷浆料。
(3)将陶瓷浆料在喷雾干燥塔中造粒，喷雾干燥塔温度为510℃，制得造粒后的粉末。
(4)将造粒后的粉末进行模压成型，成型压力为1.25MPa，将压模后的胚体放入烘箱中采用115℃烘干2.5h，制得烘干后的胚体。
(5)将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以15℃/min的升温速率升温至800℃，保温2.5h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以15℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为55℃升温至1000℃，保温5.5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实施例2具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法
(1)按重量份计，将35份的氧化铝粉末、3份的碳纳米管、0.5份的碳化硅和1-2份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
(2)按质量比为1:0.2:3.5将混合粉末、烧结助剂和质量浓度为5％的硅酸钠水溶液混合，制得混合陶瓷浆料，所述烧结助剂为3份氧化钇、5份酚醛树脂和1.5份腈纶，将混合浆料放入陶瓷罐中以刚玉球为球磨介质，在研磨速度为350r/min条件下球磨24h，制得陶瓷浆料。
(3)将陶瓷浆料在喷雾干燥塔中造粒，喷雾干燥塔温度为500℃，制得造粒后的粉末。
(4)将造粒后的粉末进行模压成型，成型压力为1MPa，将压模后的胚体放入烘箱中采用100℃烘干2h，制得烘干后的胚体。
(5)将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以10℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为50℃升温至1000℃，保温5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实施例3具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法
(1)按重量份计，将40份的氧化铝粉末、5份的碳纳米管、1.5份的碳化硅和2份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
(2)按质量比为1:0.3:4将混合粉末、烧结助剂和质量浓度为6％的硅酸钠水溶液混合，制得混合浆料，所述烧结助剂为5份氧化钇、7份酚醛树脂和2.5份腈纶，将混合浆料放入陶瓷罐中以刚玉球为球磨介质，在研磨速度为450r/min条件下球磨48h，制得陶瓷浆料。
(3)将陶瓷浆料在喷雾干燥塔中造粒，喷雾干燥塔温度为520℃，制得造粒后的粉末。
(4)将造粒后的粉末进行模压成型，成型压力为1.5MPa，将压模后的胚体放入烘箱中采用130℃烘干3h，制得烘干后的胚体。
(5)将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以20℃/min的升温速率升温至800℃，保温3h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以20℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为60℃升温至1000℃，保温6h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实施例4具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法
在实施例1的基础上分别调整步骤(1)和步骤(2)中的原料组分及配比，具体参见实验组1-4：
实验组1：按重量份计，将38份的氧化铝粉末、4份的碳纳米管混合，制得混合粉末1。
实验组2：按重量份计，将38份的氧化铝粉末、2份的碳纳米管、2份的碳化硅和2份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
实验组3：按重量份计，将38份的氧化铝粉末、4份的膨胀珍珠岩、1份的煤渣和1.5份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末。
实验组4：按质量比为1:0.25:3.8将混合粉末、烧结助剂和质量浓度为5.5％的硅酸钠水溶液混合，制得混合浆料，所述烧结助剂为氧化钇，将混合浆料放入陶瓷罐中以刚玉球为球磨介质，在研磨速度为400r/min条件下球磨36h，制得陶瓷浆料。
根据GB/T2997-2015检测陶瓷材料中的真气孔率和闭孔率；根据GB/T1964-1996检测陶瓷材料的抗压强度；根据GB/T5486.3-2001检测陶瓷材料的吸水率；导热系数的测定：采用激光热导仪测定材料的热扩散系数α(cm2·s-1)和比热容Cp(J·g-1·k-1)，采用堆积密度仪测定材料的堆积密度ρ(g·cm-3)。
计算公式：导热系数k(W·m-1·k-1)＝ρCpα。
实验结果表明将原料进行替换、减少组分或调整各组分之间的配比，会导致制得的陶瓷材料性能下降，本发明中将氧化铝粉末、碳纳米管、聚甲基丙烯酸甲酯微球和碳化硅和烧结助剂进行球磨，不仅能够将氧化铝粉末进一步细化，而且还能将各组分均匀混合，保证陶瓷浆料平均粒径在0.5-1μm之间，本发明各组分相互结合能够起到更好的防水防潮作用。
实施例5具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法
在实施例1的基础上，分别调整步骤(5)中的烧结方法，具体参见实验组5-8：
实验组5：将烘干后的胚体进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以15℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为55℃升温至1000℃，保温5.5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实验组6：将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以15℃/min的升温速率升温至500摄氏度，保温2.5h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以15℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为55℃升温至1000℃，保温5.5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实验组7：将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以15℃/min的升温速率升温至800摄氏度，保温2.5h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以15℃的升温速率升温至800℃，调整升温速率为55℃升温至1400℃，保温5.5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
实验组8：将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以15℃/min的升温速率升温至800摄氏度，保温2.5h，随炉冷却，将真空碳化后的胚体再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以20℃的升温速率升温至200℃，调整升温速率为5℃升温至1000℃，保温5.5h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
检测实验组5-8制得的陶瓷材料的真气孔率、闭孔率、抗压强度、吸水率和导热系数。检测方法参照实施例4。
实验结果表明，实验组5未进行碳化直接烧结，真气孔率降低，本发明中先使用真空碳化，通过合理的升温速率、温度设置和保温时间可以提高陶瓷材料中的闭孔率；实验组6，调整碳化温度，造成闭孔率下降；实验组7调整烧结温度，闭孔率比真气孔率小16.8％，抗压强度相对比实施例1有所下降，导热系数变差，吸水率上升，是因为胚体在过高温烧结中，胚体颗粒距离变小，闭孔结构也会和周边气孔连结，减少陶瓷材料中的孔洞结构和降低孔隙率，导致导热、防水性能变差。实验组8改变高温烧结工艺中得升温速率，本发明先采用较低的升温速率进行烧结，目的是为了在保证胚体不开裂的情况下，进一步去除胚体中的结合水，在采用较快的升温速率进行烧结，有利于陶瓷材料中的气孔形成和定型。
试验例1
检测实施例1-3和对比例1制得的陶瓷材料的真气孔率、闭孔率、抗压强度、吸水率和导热系数。检测方法参照实施例4。
实验结果表明本发明制得的陶瓷材料具有真气孔率高，闭孔率和真气孔率接近，隔热性能好，具有6.5MPa以上的抗压强度，而且本发明制得的陶瓷材料具有很好的防水防潮性能。本发明制备方法中无需添加发泡剂，能够避免由于杂质增加造成材料结构粗化，导致孔隙率增加，隔热性能下降。
试验例2
采用光学显微镜200X检测实施例1制得陶瓷材料。
参见图1，本发明制得的陶瓷材料气孔率高、闭孔率高，气孔分布均匀，气孔孔径在5-10μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按重量份计，将35-40份的氧化铝粉末、3-5份的碳纳米管、0.5-1.5份的碳化硅和1-2份的聚甲基丙烯酸甲酯微球混合，制得混合粉末；
(2)将混合粉末、烧结助剂和硅酸钠水溶液混合，按重量份计，所述烧结助剂为3-5份氧化钇、5-7份酚醛树脂和1.5-2.5份腈纶，制得混合浆料，将混合浆料放入陶瓷罐中球磨，制得陶瓷浆料；
(3)将陶瓷浆料在喷雾干燥塔中造粒，喷雾干燥塔温度为500-520℃，制得造粒后的粉末；
(4)将造粒后的粉末进行模压成型，成型压力为1-1.5MPa，将压模后的胚体放入烘箱中烘干2-3h，制得烘干后的胚体；
(5)将烘干后的胚体进行真空碳化，所述真空碳化工艺为，调整真空度小于0.1MPa，以10-20℃/min的升温速率升温至800℃，保温2-3h，随炉冷却，再进行高温烧结，所述高温烧结工艺为以10-20℃的升温速率升温至500℃，调整升温速率为50-60℃升温至1000℃，保温5-6h，保温后的胚体，随炉冷却，制得成品。
2.如权利要求1所述的具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硅酸钠水溶液质量浓度为5-6％。
3.如权利要求1所述的具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述混合粉末、烧结助剂和硅酸钠水溶液质量比为1:0.2-0.3:3.5-4。
4.如权利要求1所述的具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述球磨为以刚玉球为球磨介质，在球磨速度为350-450r/min条件下球磨24-48h。
5.如权利要求1所述的具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述烘干温度为100-130℃。
6.如权利要求1所述的具有闭孔结构的多孔隔热陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述陶瓷浆料平均粒径为0.5-1μm。
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