CN115259890A - 一种陶瓷基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种陶瓷基复合材料的制备方法，将二氧化硅分为两份，一份加入水中搅拌，得到悬浮液；另一份进行高速分散，得到凝胶状液体；将凝胶状液体与悬浮液混合，再加入粉状活性炭，混合均匀后，冻结，升华，烧结后降温，即得。本发明所述方法制备得到的材料，密度低、比表面积大、孔隙率较大、平均孔径较小，具有良好的吸音能力。本发明改进后的制备方法，可以降低材料的吸水率，可以极大的减小湿度对其吸音效果的影响。

Description

一种陶瓷基复合材料的制备方法
技术领域
本申请涉及新材料技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法。
背景技术
多孔陶瓷是一种新型含有气孔的陶瓷基复合材料，其制造始于20世纪70年代。因其透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、热导率低、耐高温、耐腐蚀等优良特性，使其在过滤分离、化工催化载体、生物医用植入、保温、隔热、吸声阻尼、燃烧和和阻火等方面具有良好的应用。
多孔吸声材料具有许多连续、微小的孔洞。根据惠更斯原理，当声音入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则传入多孔体内部，引起孔隙中空气的振动并于陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而消耗掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换消耗，如此反复，从而达到吸声的效果。
1978年美国首次成功研制了多孔陶瓷材料，他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件的质量，降低废品率。此后，多个国家竞相开展了多孔陶瓷的研究，形成了一个新兴产业。
研究者采用圆管理论模型，研究了多孔材料空隙率、孔径、材料厚度以及理论模型，研究了多孔材料孔隙率、孔径、材料厚度以及结构因子对吸声性能的影响。结果表明：控制多孔材料孔径和厚度不变，吸声性能随着孔隙率增加而提高；控制多孔材料厚度和孔隙率不变，吸声性能随着孔径的减小而提高；控制多孔材料孔径和孔隙率不变，其低频吸声性能随着材料厚度的增加而提高，而高频吸声性能有所下降；在材料厚度、孔径和孔隙率保持不变的情况下，结构因子对材料低频吸声性能没有明显影响，而在中高频范围内出现吸声系数的周期性变化。
采用不同的方法制备出多孔陶瓷的性能具有很大差异，孔隙率、材料厚度和孔径大小是影响多孔陶瓷具有良好吸声性能的重要因素。因此，想要得到吸引效果好的多孔陶瓷，制备方法尤为重要。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种陶瓷基复合材料的制备方法，本方法所制得的陶瓷复合材料，具有较好的吸音效果。此外，本申请还提供了一个改进的制备方法，可以降低陶瓷复合材料的吸水率。
本发明提供了一种陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将二氧化硅分为两份，选择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，作为第一份，将其加入水中，搅拌，2-3小时，得到悬浮液；
步骤2，将其余的二氧化硅进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，作为第二份，将其加入水中，进行高速分散2-3小时，然后陈化10-12小时后，再次分散2-3小时，加入添加剂，第三次高速分散2-3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，再加入粉状活性炭，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温1-2小时，再加热至2000℃，保温1-2小时，自然降温至室温，即得。
具体的，所述的步骤1中，第一份二氧化硅与水的质量比为60-80:100。优选70:100。
具体的，所述的步骤2中，第二份二氧化硅与水的质量比为10-30:100。优选20:100。
具体的，所述的步骤2中，所述的添加剂与水的质量比为1-4:100，优选2:100。所述的添加剂为甲基戊醇。
具体的，所述的步骤3中，所述的将凝胶状液体与悬浮液的质量比为100-400:100。优选300:100。
具体的，所述的步骤3中，粉状活性炭的加入量为总质量的1-4％。优选2％。
本发明上述的制备方法，可以制备得到孔隙率较大、平均孔径较小的多孔陶瓷复合材料。
对于多孔陶瓷来说，想要具有良好的吸引性能，往往伴随着较大的吸水率。然而，这是一个矛盾的问题。因为空气中的水汽对多孔性材料的吸音性能有着不利的影响。如果材料的吸水率大，容易吸附空气中的水汽，随着孔隙内含水量的增大，孔隙被堵塞，吸音材料中的孔隙不再连通，空隙率下降，吸音性能下降，吸音频率特性也将改变。
进一步的，本发明在上述的制备方法的基础上，进行了改进，包括如下步骤：
步骤1，将二氧化硅进行筛分，选择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，作为第一份，浸泡于盐酸溶液中，浸泡2-3小时后，烘干，将其加入无机改性剂的水溶液中，在超声环境下搅拌并加热，2-3小时，得到悬浮液；
步骤2，将剩余的二氧化硅进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，作为第二份，将其加入水中，进行高速分散2-3小时，然后陈化10-12小时后，再次分散2-3小时，加入添加剂，第三次高速分散2-3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，再加入粉状活性炭，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温1-2小时，再加热至2000℃，保温1-2小时，自然降温至室温，即得。
具体的，所述的无机改性剂的水溶液为四氯化钛的水溶液，其中四氯化钛的含量为10-20％。优选15％。
具体的，所述的步骤1中，第一份二氧化硅与无机改性剂的水溶液的质量比为：60-80:100。优选70:100。
具体的，所述的步骤1中，超声的功率为450-500W。优选500W。加热温度，维持在30-40℃之间。
具体的，所述的步骤2中，第二份二氧化硅与水的质量比为10-30:100。优选20:100。
具体的，所述的步骤2中，所述的添加剂与水的质量比为1-4:100，优选2:100。所述的添加剂为甲基戊醇。
具体的，所述的步骤3中，所述的将凝胶状液体与悬浮液的质量比为100-400:100。优选200:100。
具体的，所述的步骤3中，粉状活性炭的加入量为总质量的1-4％。优选2％。
本发明的改进后的制备方法，可以在不降低孔隙率的基础上，降低吸水率。从而尽量减小湿度对吸音效果的影响。
有益效果：采用本发明所述的方法，得到的孔道大多为开口孔道，而非封闭孔道，可以有效的提高所得陶瓷基复合材料的吸音性能。
本发明通过快速的升华，可以得到一个多孔的前驱体，然后再进行高温烧结，可以形成大孔和微孔互相搭接的内部结构。
本发明所述方法制备得到的材料，密度低、比表面积大、孔隙率较大、平均孔径较小。具有良好的吸音能力。
本发明改进后的制备方法，可以在不降低孔隙率的基础上降低材料的吸水率，可以极大的减小减小湿度对其吸音效果的影响。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本实施例中所述份数均为质量份数。
实施例1
步骤1，将二氧化硅进行筛分，择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，取70份，将其加入水100份中，搅拌2小时后，得到悬浮液；
步骤2，剩余的二氧化硅用超微粉碎机进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，取20份，将其加入100份水中，进行高速分散3小时，然后陈化12小时后，再次分散2小时，加入添加剂甲基戊醇2份，第三次高速分散3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为100:100，再加入粉状活性炭，其加入量为总质量的2％，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温2小时，再加热至2000℃，保温2小时，自然降温至室温，即得。
实施例2
步骤1，将二氧化硅进行筛分，择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，取60份，将其加入水100份中，搅拌2小时后，得到悬浮液；
步骤2，剩余的二氧化硅用超微粉碎机进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，取10份，将其加入100份水中，进行高速分散2小时，然后陈化10小时后，再次分散2小时，加入添加剂甲基戊醇1份，第三次高速分散2小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为100:100，再加入粉状活性炭，其加入量为总质量的1％，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温1小时，再加热至2000℃，保温1小时，自然降温至室温，即得。
实施例3
步骤1，将二氧化硅进行筛分，择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，取80份，将其加入水100份中，搅拌3小时后，得到悬浮液；
步骤2，剩余的二氧化硅用超微粉碎机进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，取30份，将其加入100份水中，进行高速分散3小时，然后陈化12小时后，再次分散3小时，加入添加剂甲基戊醇4份，第三次高速分散3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为100:100，再加入粉状活性炭，其加入量为总质量的4％，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温2小时，再加热至2000℃，保温2小时，自然降温至室温，即得。
实施例4
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为150:100。
实施例5
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为200:100。
实施例6
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为250:100。
实施例7
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为300:100。
实施例8
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为350:100。
实施例9
基本步骤与实施例1大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为400:100。
将上述实施例1、实施例4-实施例9所得材料进行测试，本实施例中的总孔隙率是指所有闭口气孔率和开口气孔率之和，体积密度是多孔材料的质量与其总体积的比值，平均孔径为吸附总孔体积与比表面积计算得到，吸水率是指多孔材料所有开口气孔所吸收的水的质量与干燥材料质量的比值。
其结果如下表所示：
Figure BDA0003711845980000071
Figure BDA0003711845980000081
从试验结果可以看出，随着凝胶状液体的配比增加，孔隙率增加，综合平均孔径来看，实施例7的性能较好。同时，随着凝胶状液体的配比增加，吸水率也在增加。
实施例10
步骤1，将二氧化硅进行筛分，择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，取70份，浸泡于盐酸溶液中，3小时后烘干，将其加入无机改性剂的水溶液100份中，所述的无机改性剂为四氯化钛，其中四氯化钛的质量含量为15％，在超声环境下搅拌并加热维持温度范围在30-40℃之间，超声功率为500W，3小时后，得到悬浮液；
步骤2，剩余的二氧化硅用超微粉碎机进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，取20份，将其加入100份水中，进行高速分散3小时，然后陈化12小时后，再次分散2小时，加入添加剂甲基戊醇2份，第三次高速分散3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为100:100，再加入粉状活性炭，其加入量为总质量的2％，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温2小时，再加热至2000℃，保温2小时，自然降温至室温，即得。
实施例11
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为150:100。
实施例12
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为200:100。
实施例13
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为250:100。
实施例14
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为300:100。
实施例15
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为350:100。
实施例16
基本步骤与实施例10大致相同，不同之处在于，步骤3中，将凝胶状液体与悬浮液混合，两者的质量比为400:100。
对上述实施例10-实施例16做吸水率测试，并与之前实施例进行对比，具体结果如下表所示：
Figure BDA0003711845980000091
Figure BDA0003711845980000101
从试验结果可以看出，通过对二氧化硅颗粒进行改性处理，可以大幅度的降低吸水率。然而，随着凝胶状液体的配比增加，悬浮液的配比减小，吸水率的降低幅度，再减小，又一个矛盾出现，即：增加凝胶状液体的配比可以增加孔隙率，降低凝胶状液体的配比，可以降低吸水率。
进一步，进行吸音测试，采用驻波管法进行测量，测量频率为1000赫兹。并模拟潮湿环境(空气湿度80％)放置12小时后，再次进行吸音测试。结果对比如下表所示：
Figure BDA0003711845980000102
从上述试验可以看出，在常规环境下，改进后的制备方法得到的材料，在吸音效果上略有降低。然而在潮湿环境下，却能够几乎保持原有的吸音性能。而为改进的制备方法在潮湿环境下，吸音性能降低叫明显。
此外，可以看出，在常规环境下，实施例7的吸音效果最好，其最佳配比为：凝胶状液体与悬浮液两者的质量比为300:100。在潮湿环境下，改进后的制备方法，实施例12效果最好，其最佳配比为：凝胶状液体与悬浮液两者的质量比为200:100。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将二氧化硅分为两份，选择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，作为第一份，将其加入水中，搅拌，2-3小时，得到悬浮液；
步骤2，将其余的二氧化硅进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，作为第二份，将其加入水中，进行高速分散2-3小时，然后陈化10-12小时后，再次分散2-3小时，加入添加剂，第三次高速分散2-3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，再加入粉状活性炭，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温1-2小时，再加热至2000℃，保温1-2小时，自然降温至室温，即得。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，第一份二氧化硅与水的质量比为60-80:100。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，第二份二氧化硅与水的质量比为10-30:100。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的添加剂与水的质量比为1-4:100，所述的添加剂为甲基戊醇。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的将凝胶状液体与悬浮液的质量比为100-400:100。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，粉状活性炭的加入量为总质量的1-4％。
7.根据权利要求1-6所述的任意一项陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下
步骤1，将二氧化硅进行筛分，选择粒径为1～10μm的二氧化硅颗粒，作为第一份，浸泡于盐酸溶液中，浸泡2-3小时后，烘干，将其加入无机改性剂的水溶液中，在超声环境下搅拌并加热，2-3小时，得到悬浮液；
步骤2，将剩余的二氧化硅进行超微粉碎，控制并选择粒径为200-800nm的二氧化硅颗粒，作为第二份，将其加入水中，进行高速分散2-3小时，然后陈化10-12小时后，再次分散2-3小时，加入添加剂，第三次高速分散2-3小时，得到凝胶状液体；
步骤3，将凝胶状液体与悬浮液混合，再加入粉状活性炭，混合均匀后，将其冷冻至冻结状；
步骤4，在真空的状态中，迅速加热至200℃以上，使水蒸气升华，然后通入惰性气体，加热至1500℃，保温1-2小时，再加热至2000℃，保温1-2小时，自然降温至室温，即得。
8.根据权利要求7所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的无机改性剂的水溶液为四氯化钛的水溶液，其中四氯化钛的含量为10-20％。
9.根据权利要求7所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，第一份二氧化硅，与无机改性剂的水溶液的质量比为：60-80:100。
10.根据权利要求7所述的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，超声的功率为450-500W；加热温度维持在30-40℃之间。
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