CN116813367A - 一种多孔陶瓷及其制备方法 - Google Patents
一种多孔陶瓷及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116813367A CN116813367A CN202211726018.0A CN202211726018A CN116813367A CN 116813367 A CN116813367 A CN 116813367A CN 202211726018 A CN202211726018 A CN 202211726018A CN 116813367 A CN116813367 A CN 116813367A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- porous ceramic
- whisker
- fly ash
- mullite
- silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 claims abstract description 60
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 32
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 30
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 36
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 21
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 18
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 17
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 12
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 12
- HSEYYGFJBLWFGD-UHFFFAOYSA-N 4-methylsulfanyl-2-[(2-methylsulfanylpyridine-3-carbonyl)amino]butanoic acid Chemical compound CSCCC(C(O)=O)NC(=O)C1=CC=CN=C1SC HSEYYGFJBLWFGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 11
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 10
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910000403 monosodium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 235000019799 monosodium phosphate Nutrition 0.000 claims description 10
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 10
- AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M sodium dihydrogen phosphate Chemical compound [Na+].OP(O)([O-])=O AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 10
- 239000002956 ash Substances 0.000 claims description 8
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 8
- 229910052656 albite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical group O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical group CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N aluminum;potassium;oxygen(2-);silicon(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Si+4].[Si+4].[Si+4].[K+] DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012700 ceramic precursor Substances 0.000 claims description 4
- 239000010883 coal ash Substances 0.000 claims description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 11
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 13
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 description 3
- 229940024548 aluminum oxide Drugs 0.000 description 3
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 2,2,3,3,3-pentafluoropropanal Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)C=O IRPGOXJVTQTAAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminum fluoride Inorganic materials F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001570 bauxite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 239000010433 feldspar Substances 0.000 description 2
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229940072033 potash Drugs 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Substances [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 235000015320 potassium carbonate Nutrition 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 229910021487 silica fume Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BIGPRXCJEDHCLP-UHFFFAOYSA-N ammonium bisulfate Chemical compound [NH4+].OS([O-])(=O)=O BIGPRXCJEDHCLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P ammonium molybdate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-][Mo]([O-])(=O)=O APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P 0.000 description 1
- 239000011609 ammonium molybdate Substances 0.000 description 1
- 235000018660 ammonium molybdate Nutrition 0.000 description 1
- 229940010552 ammonium molybdate Drugs 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002468 ceramisation Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000875 high-speed ball milling Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 1
- 229910000476 molybdenum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- GALOTNBSUVEISR-UHFFFAOYSA-N molybdenum;silicon Chemical compound [Mo]#[Si] GALOTNBSUVEISR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N oxomolybdenum Chemical compound [Mo]=O PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000167 toxic agent Toxicity 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
Abstract
本发明公开了一种多孔陶瓷及其制备方法，属于多孔陶瓷材料领域。本发明的方法通过控制原料来源，选用成分组成主要为莫来石相和石英相的高铝粉煤灰作为主要原料，合理搭配外加铝源及硅源，并通过添加少量无氟晶须促进剂及烧结助剂，调控晶须生成量与孔隙率之间的平衡，最终获得晶须含量高且高孔隙率的多孔陶瓷。制得的多孔陶瓷中，莫来石晶须的直径为0.5‑0.8μm，长径比为10‑30，其生长方向为c轴[001]方向，生成物中莫来石晶须的含量为55～65vol％，陶瓷的孔隙率大于80％。
Description
技术领域
本发明属于多孔陶瓷材料领域，更具体地说，涉及一种多孔陶瓷及其制备方法。
背景技术
莫来石晶须是在人工控制条件下合成的具有一定长径比及较小截面积的单晶纤维材料，因其尺寸极小、比表面积大、晶体结构比较完整、无内部结构缺陷等优良特性而将其作为陶瓷、树脂与金属等复合材料基体的一种增强改性材料，在陶瓷基体中通常起到增强增韧作用。而莫来石多孔陶瓷由于其结构、化学及热稳定性能优异，且制备原料来源广泛，是具有广阔发展前景的一类多孔陶瓷材料。目前，主要通过使用价格低廉的原料和降低烧结温度两种途径实现低成本莫来石基多孔陶瓷材料的制备；其中，高铝粉煤灰由于其物相组成主要为莫来石和石英相，氧化铝与氧化硅成分含量占到近90wt％，相比其他矿物，如：高岭土、铝矾土、硅藻土及煤矸石等固废作为制备莫来石基多孔陶瓷原料更具优势。
当前，利用粉煤灰制备莫来石陶瓷已有广泛研究。马北越等(东北大学，一种粉煤灰基莫来石闭孔陶瓷及其制备方法，CN 108947511 A)采用粉煤灰通过外加硅源或铝源作为校正剂，硫酸氢铵等作为造孔剂，V2O5、氟化铝等作为烧结熔剂在1400～1600℃保温2～8h进行烧结得到较高气孔率、低热导率的莫来石闭孔陶瓷。付维贵等(天津工业大学，一种用于油水分离的莫来石晶须中空纤维膜及其制备方法，CN 108854589 A)采用粉煤灰并添加一定比例的Al2O3为主要原料，以AlF3作为晶须促进剂，以高温烧结法在1100～1350℃制得莫来石晶须中空纤维膜。通过上述研究可发现，当前为提高粉煤灰基多孔陶瓷的强度，普遍采用氟化物、V2O5等作为晶须促进剂，通过高温烧结法获得莫来石晶须增强的多孔陶瓷。然而，氟化物与V2O5是有害及有毒物质，晶须促进剂氟化物的添加易导致制备过程中产生含氟废气，进而造成环境污染及对设备发热元件的腐蚀。
此外，专利公开号为CN108264338A的发明公开了一种由均匀莫来石晶须互锁形成的高孔隙率多孔陶瓷管及其制备方法，该方法将铝源、硅源和晶须生长催化剂三种粉体均匀混合后，分散到有机溶液中，混合球磨均匀后置于模具中，进行挤出相转化成型，获得陶瓷管生坯。在1300-1500℃烧结生坯，晶须原位生长并形成互锁结构，从而获得高孔隙率莫来石晶须多孔陶瓷管，孔隙率>70％，断裂强度约>3MPa。其中，铝源为氢氧化铝、γ-氧化铝、高岭土、铝矾土等中的一种或几种；硅源为高岭土、煤矸石、粉煤灰、石英等中的一种或几种；晶须生长催化剂为氟化铝、氧化钼、氧化钨、钨酸氨、钼酸铵、氧化钒等中的一种或几种。其不足之处在于，晶须生长催化剂含氟化物，且多孔陶瓷管孔隙率较低。
专利公开号为CN102884280A的发明公开了通过经由氧化物的复杂混合物的粘性反应烧结产生的自增韧结构制造坚固、韧性且质轻的晶须增强玻璃-陶瓷复合材料的方法。该材料主要用作支撑剂，孔隙率在6～40％。制备原料包括：i.氧化铝和/或至少一种氧化铝前体以及硅质材料，它们的比率使得在所述玻璃-陶瓷复合材料中形成莫来石晶须，以及ii.较少量的莫来石晶须，以及iii.至少一种不含氟或氟化合物的晶须促进剂；其中，硅质材料包括煤胞、粉煤灰、或者它们的任意组合，所述晶须促进剂包括B2O3和/或至少一种过渡金属氧化物。其不足之处在于，原位生成的莫来石晶须占比较少，含额外添加的莫来石晶须。
依据现有的技术文献得知，原位生成的莫来石晶须存在晶须含量不高的问题，其含量为30wt％左右，限制约束了莫来石晶须增强多孔陶瓷的应用范围。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有原位生成的莫来石晶须存在晶须含量低，导致多孔陶瓷强度低的问题，本发明提供一种多孔陶瓷的制备方法，利用该方法制得的多孔陶瓷中莫来石晶须的含量达到55～65vol％。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、粉煤灰预处理：将高铝粉煤灰在高温下进行煅烧；煅烧温度为550～650℃，煅烧时间为1～3h，用于去除高铝粉煤灰中的残余碳等杂质。所述高铝粉煤灰的物相组成主要为莫来石相和石英相，其化学成分组成中氧化铝与氧化硅含量达到近90wt％，分别为37～42wt％与47～54wt％。通过煅烧处理，基本可以处理掉粉煤灰中的C元素，避免了C在高温状态下生成二氧化碳造成气孔出现，不利于陶瓷孔隙率的控制，从而实现对陶瓷孔隙率的精确控制。此外，还可去除水蒸气及挥发分，有利于精确控制原料成分组成。若不进行预处理，则一是烧结过程中产生气体对孔型结构有一定影响，无法准确预判泡孔结构；二是无法通过原料精确控制铝硅比，对晶须组成无法准确调控。
步骤二、称料球磨：称取基体原料，加入球磨介质进行球磨，得浆料；
所述基体原料包括：预处理后的高铝粉煤灰、铝源、硅源和添加剂，所述高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂的质量比为(54～60)：(26～34)：(2～8)：(4～12)，所述铝源包括硫酸铝铵或氢氧化铝中的一种或以上，当其为硫酸铝铵与氢氧化铝的混合物时，其质量比为(45～65)：(35～55)，两者合理搭配，能对产生气体量及氧化铝含量进行有效调控；硫酸铝铵过多会导致熔体量增加，晶须生成量降低，过少会获得高长径比晶须，孔隙率较低；所述硅源包括二氧化硅或硅灰中的一种或以上，当其为二氧化硅与硅灰的混合物时，其质量比为(60～65)：(35～40)；所述添加剂包括晶须促进剂与烧结助剂，所述晶须促进剂与烧结助剂的质量比为(14～25)：(75～86)，所述晶须促进剂为三氧化二硼或二氧化钛中的一种或多种，若为两种组合，其质量比为(45～55)：(45～55)，两者搭配，硼、钛通过对莫来石晶体掺杂能对晶体结构进行保护；晶须促进剂过多会导致晶须相貌变差，杂质增加；过少则获得的晶须生成量较少；所述烧结助剂为磷酸二氢钠、或其与钠长石和钾长石的混合物，其中钠长石和钾长石按钠长石和钾长石质量比为1:2配合使用，此时获得的混合物熔点最低，若为三种的混合物，则其质量比为(10～40)：(20～30)：(40～60)，两者合理搭配，能对产生熔体量及晶须生成量进行有效调控；过多会导致熔体量增加，晶须生成量降低，过少会获得高长径比晶须，但孔隙率较低。其中，高铝粉煤灰中的氧化铝含量一般高于37wt％，加入含铝的硫酸铝铵或氢氧化铝，及含硅的二氧化硅或硅灰，一方面为了调控铝硅比，另一方面为了更容易形成莫来石晶核，从而更有利于莫来石晶须的长大。因此，本发明将Al2O3与SiO2的摩尔比控制在0.4-0.9，控制晶须形貌及其长径比，生成的莫来石晶须直径为0.5-0.8μm，长径比为10-30，其生长方向为c轴[001]方向，该比例过高，即Al源过多则形成的晶须长径比较小，该比例过低，即Al源过少则形成的晶须长径比较高。
其中，硫酸铝铵与氢氧化铝作为外加铝源，与二氧化硅或硅灰反应有利于莫来石形核，三氧化二硼与二氧化钛作为晶须促进剂通过在烧结过程中固溶进莫来石相，促进莫来石相各向异性生长形成晶须；磷酸二氢钠、钠长石和钾长石均可提供钠源，与氧化铝和氧化硅形成低熔点液相，降低基体粘度，促进基体流动性能，使得泡孔在合适的液固量下形成，同时硫酸铝铵受热可提供发泡气体来源，磷酸二氢钠分解出的气体不仅利于晶须的生成也促进了发泡，上述组分合理搭配，对产生熔体量及晶须生成量进行有效调控；过多会导致熔体量增加，晶须生成量降低，过少会获得高长径比晶须，但孔隙率较低。
球磨方式为普通球磨、行星式球磨机球磨或高速球磨中的一种；还需加入球磨介质和球磨珠，所述基体原料：球磨珠：球磨介质的质量比为1：2：1.5，球磨时间为0.75～5h；球磨珠为氧化铝或氧化锆中的一种，球磨介质为无水乙醇或蒸馏水中的一种。
步骤三、干燥过筛：将步骤二所得浆料烘干，过筛；当球磨介质为无水乙醇时，浆料在70℃干燥3h，当球磨介质为蒸馏水时，浆料在110℃干燥24h，过筛的筛网目数为200目。
步骤四、压制成型：将步骤三得到的筛下物利用模具压制成型，得到高铝粉煤灰基多孔陶瓷前驱体，干燥；压制是在10MPa的压力下保压2min，获得直径为15mm、高20mm的生坯，再在110℃下干燥24h。
步骤五：高温烧结：将步骤四中的高铝粉煤灰基多孔陶瓷前驱体进行高温烧结陶瓷化得到莫来石晶须原位增强的多孔陶瓷，烧结过程在高温烧结炉如箱式电阻炉、硅碳棒炉或硅钼棒炉中进行；烧结工作温度在1300～1600℃进行，保温2～6h。
制备过程中，原料成分组成中含有高温释放气体物质硫酸铝氨及磷酸二氢钠，在陶瓷烧结过程中，磷酸二氢钠分解产生气体及氧化钠，进一步与铝源和硅源形成低熔点相，此时，基体中产生熔体，流动性增强，在气氛的作用下，泡孔开始出现，并在气-液-固三相作用下，氧化铝与二氧化硅开始结合形核，在高温保温一段时间后，已形核的莫来石晶须开始向粉煤灰成分中继续长大而交织在一起。
莫来石晶须参数受实验环境影响较大，主要有原料成分组成及烧结温度，本发明通过控制原料来源，选用成分组成主要为莫来石相的高铝粉煤灰作为主要原料；合理搭配外加铝源及硅源原料，减少非莫来石相化学成分组成的其他元素引入；并通过添加少量无氟晶须促进剂及烧结助剂，调控晶须生成量与孔隙率之间的平衡，最终获得晶须含量高且高孔隙率的莫来石晶须原位增强多孔陶瓷。
利用该方法制得的多孔陶瓷中，莫来石晶须的直径为0.5-0.8μm，长径比为10-30，其生长方向为c轴[001]方向，生成物中莫来石晶须的含量为55～65vol％，陶瓷的孔隙率大于80％。在力学性能得到保证的前提下，孔隙率越高越好。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的制备莫来石晶须增强多孔陶瓷的方法通过合理调控原料组成及烧结温度，平衡晶须的生成形貌、含量与泡孔结构之间的关系，进而获得晶须生成量高、长径比高且泡孔结构均匀、孔隙率高的多孔陶瓷；
(2)本发明的制备莫来石晶须增强多孔陶瓷的方法采用不含氟的晶须促进剂，扩大了莫来石晶须增强多孔陶瓷的应用范围，避免在制备过程中对环境造成污染；
(3)本发明的制备莫来石晶须增强多孔陶瓷的方法，实现了对大宗固体废弃物粉煤灰的高效综合利用，解决了粉煤灰二次利用问题，减轻了粉煤灰对环境污染的压力，为粉煤灰的高附加值利用提供了一条有效途径；
(4)本发明的制备莫来石晶须增强多孔陶瓷的方法，成本低，流程简单易操作，便于工业化生产。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是本发明高铝粉煤灰化学成分与主要物相组成图；
图2是本发明不同球磨条件下获得的高铝粉煤灰微观形貌，(a)原高铝粉煤；(b)球磨后的高铝粉煤灰(普通球磨机)；(c)球磨后的高铝粉煤灰(行星式球磨机)；(d)球磨后的高铝粉煤灰(行星式球磨机)；
图3是本发明实施例1获得的多孔陶瓷结构宏观形貌图；
图4是本发明实施例1获得的多孔陶瓷结构微观形貌图；
图5是本发明实施例1获得的多孔陶瓷结构晶须微观形貌图。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
实施例采用的高铝粉煤灰原料的化学成分和主要物相组成如图1所示，其SiO2含量为47.80wt％，Al2O3含量为41.76wt％。莫来石晶须的含量由氢氟酸腐蚀后电镜观察统计定量；
依据三元相图对高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂质量比进行调控，确定高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂的质量，其原理是依据Al2O3-SiO2-Na2O三元相图中不同温度下的液相线变化趋势以及各相区的成分组成，确定成分点区域，依据成分点组成来确定原料质量比。
表1实施例1-3实验参数
实施例1
步骤一、高铝粉煤灰预处理：首先将高铝粉煤灰置于箱式电阻炉中，在650℃下煅烧1h去除高铝粉煤灰中残余碳等杂质；
步骤二、称料球磨：依据三元相图对高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂质量比进行调控，确定高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂的质量；称取60％的高铝粉煤灰，26％的硫酸铝铵，8％的二氧化硅和硅灰粉体(两者质量比为65：35)以及1％的二氧化钛和5％的磷酸二氢钠作为基体原料放入球磨罐中。再加入质量为基体原料质量150％的无水乙醇溶液作为球磨介质，为基体原料质量200％的氧化锆球磨珠进行球磨，在高速球磨机1500r/min下混料球磨0.75h，得浆料；
步骤三、干燥过筛：经过上述步骤所得浆料在干燥箱70℃干燥3h，然后过200目筛；
步骤四、压制成型：将得到的筛下物利用不锈钢模具压制成型，采用上冲头直径为15mm模具，在10MPa的压力下保压2min，得到高20mm生坯，再在干燥箱中110℃干燥24h；
步骤五：高温烧结：将干燥后的生坯放入箱式电阻炉在1300℃进行烧结，保温6h，得到具有原位生长莫来石晶须增强的高铝粉煤灰基多孔陶瓷材料的宏观形貌如图3所示，微观形貌如图4，试样经氢氟酸腐蚀后获得的晶须微观形貌如图5所示。由图所示，获得的莫来石晶须长径比及含量均较高。
实施例2
步骤一、高铝粉煤灰预处理：将高铝粉煤灰置于箱式电阻炉中，在600℃下煅烧2h去除高铝粉煤灰中残余碳等杂质；
步骤二、称料球磨：依据三元相图对高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂质量比进行调控，确定高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂的质量；将称量好的57％的高铝粉煤灰，32％的硫酸铝铵和氢氧化铝(两者质量比为60：40)，6％的硅灰以及1％的三氧化二硼和4％的钠长石和钾长石(两者质量比为33：67)作为基体原料放入球磨罐中，再加入为基体原料质量150％的无水乙醇溶液作为球磨介质，为基体原料质量200％的氧化锆球磨珠进行球磨，在普通球磨机以30r/min混料球磨5h，得浆料；
步骤三、干燥过筛：经过以上步骤所得浆料在干燥箱70℃干燥3h，然后过200目筛；
步骤四、压制成型：将得到的筛下物利用不锈钢模具压制成型，采用上冲头直径为15mm的模具，在10MPa的压力下保压2min，得到高20mm生坯，再在干燥箱中110℃干燥24h；
步骤五：高温烧结：将干燥后的生坯放入箱式电阻炉在1400℃进行烧结，保温4h，得到具有原位生长莫来石晶须增强的高铝粉煤灰基多孔陶瓷材料，结构形貌与图3相似。
实施例3
步骤一、高铝粉煤灰预处理：将高铝粉煤灰置于箱式电阻炉中，在550℃下煅烧3h去除高铝粉煤灰中残余碳等杂质；
步骤二、称料球磨：依据三元相图对高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂质量比进行调控，确定高铝粉煤灰、铝源、硅源与添加剂的质量；将称量好的54％的高铝粉煤灰，32％的氢氧化铝，2％的二氧化硅粉体以及2％的三氧化二硼与二氧化钛(两者质量比为50：50)，10％的磷酸二氢钠与钠长石和钾长石(三者质量比为25：25：50)作为基体原料放入球磨罐中，再加入为基体原料质量150％的蒸馏水作为球磨介质，为基体原料质量200％的氧化铝球磨珠进行球磨，在行星式球磨机以500r/min混料球磨3h，得浆料；
步骤三、干燥过筛：将以上步骤所得浆料在干燥箱110℃干燥24h，然后过200目筛；
步骤四、压制成型：将得到的筛下物利用不锈钢模具压制成型，采用上冲头直径为15mm的模具，在10MPa的压力下保压2min，得到高20mm生坯，再在干燥箱中110℃干燥24h；
步骤五：高温烧结：将干燥后的生坯放入箱式电阻炉在1600℃进行烧结，保温2h，得到具有原位生长莫来石晶须增强的高铝粉煤灰基多孔陶瓷材料。
以上所述仅为本发明的优选实施方案，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、高铝粉煤灰预处理：将高铝粉煤灰在高温下进行煅烧；
步骤二、称料球磨：称取基体原料，球磨得浆料，所述基体原料中Al2O3与SiO2的摩尔比为0.4-0.9；
步骤三、干燥过筛：将步骤二所得浆料烘干，过筛；
步骤四、压制成型：将步骤三得到的筛下物压制成型，得到高铝粉煤灰基多孔陶瓷前驱体，干燥；
步骤五：高温烧结：将步骤四中的高铝粉煤灰基多孔陶瓷前驱体进行高温烧结得到莫来石多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述基体原料包括高铝粉煤灰、铝源、硅源和添加剂，其质量比为(54～60)：(26～34)：(2～8)：(4～12)。
3.根据权利要求2所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述高铝粉煤灰包括莫来石相和石英相，所述高铝粉煤灰中氧化铝含量为37～42wt％，氧化硅含量为47～54wt％。
4.根据权利要求3所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述高铝粉煤灰经高温煅烧预处理，煅烧温度为550～650℃，煅烧时间为1～3h。
5.根据权利要求2所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述铝源包括硫酸铝铵和氢氧化铝的一种或多种，若为两种组合，其质量比为(45～65)：(35～55)；所述硅源包括二氧化硅和硅灰中的一种或多种，若为两种组合，其质量比为(60～65)：(35～40)。
6.根据权利要求2所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述添加剂包括晶须促进剂和烧结助剂，所述晶须促进剂和烧结助剂的质量比为(14～25)：(75～86)。
7.根据权利要求2所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述晶须促进剂包括三氧化二硼和二氧化钛中的一种或多种，若为两种组合，其质量比为(45～55)：(45～55)；所述烧结助剂为磷酸二氢钠、或磷酸二氢钠与钠长石、钾长石的混合物，若为组合，其质量比为(10～40)：(20～30)：(40～60)。
8.根据权利要求1所述一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，
步骤三中，当球磨介质为无水乙醇时，浆料在70℃干燥3h，当球磨介质为蒸馏水时，浆料在110℃干燥24h，过筛的筛网目数为200目；
步骤四中，压制在10MPa的压力下保压2min，获得直径为15mm、高20mm的生坯，再在110℃下干燥24h；
步骤五中，烧结温度为1300～1600℃，保温2～6h。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述多孔陶瓷的制备方法制得的多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷中，含有莫来石晶须，所述莫来石晶须的含量为55～65vol％，多孔陶瓷的孔隙率大于80％。
10.根据权利要求9所述一种多孔陶瓷，其特征在于，所述莫来石晶须的直径为0.5～0.8μm，长径比为10～30，其生长方向为c轴[001]方向。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211726018.0A CN116813367A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种多孔陶瓷及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211726018.0A CN116813367A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种多孔陶瓷及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116813367A true CN116813367A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88117364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211726018.0A Pending CN116813367A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种多孔陶瓷及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116813367A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102884280A (zh) * | 2010-01-29 | 2013-01-16 | 环氧乙烷材料股份有限公司 | 自增韧高强度支撑剂及其制备方法 |
| CN108264338A (zh) * | 2017-01-04 | 2018-07-10 | 齐鲁工业大学 | 一种高孔隙率莫来石晶须多孔陶瓷管及制备方法 |
| CN112500182A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-03-16 | 太原科技大学 | 一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法 |
| CN115448708A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-09 | 天津大学 | 利用高铝粉煤灰预处理原位合成高强度低导热多孔莫来石陶瓷的方法 |
-
2022
- 2022-12-30 CN CN202211726018.0A patent/CN116813367A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102884280A (zh) * | 2010-01-29 | 2013-01-16 | 环氧乙烷材料股份有限公司 | 自增韧高强度支撑剂及其制备方法 |
| CN108264338A (zh) * | 2017-01-04 | 2018-07-10 | 齐鲁工业大学 | 一种高孔隙率莫来石晶须多孔陶瓷管及制备方法 |
| CN112500182A (zh) * | 2021-01-12 | 2021-03-16 | 太原科技大学 | 一种原位合成莫来石晶须陶瓷材料的制备方法 |
| CN115448708A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-09 | 天津大学 | 利用高铝粉煤灰预处理原位合成高强度低导热多孔莫来石陶瓷的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| PENG, BO等: "Preparation of mullite whiskers from high alumina fly ash and its reinforced porous structure", JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH AND TECHNOLOGY-JMR&T, vol. 24, 19 August 2023 (2023-08-19), pages 3323 - 3333 * |
| 姜晓谦;李金洪;童玲欣;周文彩;刘丽丽;: "高铝粉煤灰制备莫来石晶须的实验研究", 矿物岩石, no. 02, 25 June 2010 (2010-06-25), pages 33 - 37 * |
| 谭宏斌;: "电厂粉煤灰制备莫来石晶须", 有色金属(冶炼部分), no. 03, 12 June 2010 (2010-06-12) * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101492276B (zh) | 一种粘土类多孔材料及其制备方法 | |
| WO2017004776A1 (zh) | 多孔氧化铝陶瓷及其制备方法 | |
| CN108178658B (zh) | 一种粉煤灰为原料制备钛酸铝莫来石复合多孔陶瓷的方法 | |
| CN106045487A (zh) | 一种Al2O3、SiO2多孔陶瓷膜支撑体的制备方法 | |
| Cuo et al. | Spherical Al2O3-coated mullite fibrous ceramic membrane and its applications to high-efficiency gas filtration | |
| CN103614808A (zh) | 带有绒毛状晶须的莫来石纤维及制备方法 | |
| CN114262179B (zh) | 一种莫来石纤维增强地质聚合物复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN109608074B (zh) | 一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法 | |
| CN116813367A (zh) | 一种多孔陶瓷及其制备方法 | |
| Deutou et al. | Semi-vitrified porous kyanite mullite ceramics: Young modulus, microstructure and pore size evolution | |
| CN109437874B (zh) | 一种可多次重复使用的多晶坩埚及其成型方法 | |
| CN111908941A (zh) | 一种凹凸棒石粘土基多孔陶瓷支撑体的制备方法 | |
| CN111763097A (zh) | 一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法 | |
| CN115448708B (zh) | 利用高铝粉煤灰预处理原位合成高强度低导热多孔莫来石陶瓷的方法 | |
| Zhang | Preparation of porous ceramic building decoration materials by foaming method and research on nanomechanical properties | |
| CN116535233A (zh) | 多孔高强建筑陶瓷板材、多孔高强调温建筑陶瓷板材及其制备方法 | |
| CN116444290A (zh) | 一种稀土改进粉煤灰陶瓷膜及其制备方法 | |
| CN114933485A (zh) | 一种晶须/纤维增强堇青石质多孔陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN113651633B (zh) | 一种莫来石纤维增强碳化硅陶瓷过滤管及其制备方法 | |
| CN108315810A (zh) | 一种以钾霞石为原料合成莫来石晶须的方法 | |
| CN110697725B (zh) | 一种二硅酸锂晶须的制备方法 | |
| US5352642A (en) | Fabrication of Y3 Al5 O12 fibers from water soluble polymers | |
| CN108774064B (zh) | 一种赤泥质碳化硅多孔陶瓷及其制备方法 | |
| CN106747375B (zh) | ZrO2短纤维增强陶瓷砖及其制备方法 | |
| CN117209259B (zh) | 铝硅质复合预制件及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |