專利名稱：多孔玻璃陶瓷、制備方法及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料，尤其是TiB2陶瓷顆粒分布在Al2O3-B2O3-MgO玻璃基體中的復(fù)合多孔材料。本發(fā)明也涉及這種復(fù)合材料的制備方法用途。
背景技術(shù)：
玻璃陶瓷是玻璃與陶瓷的結(jié)合物。傳統(tǒng)的制作方法是將玻璃與陶瓷的粉狀物長(zhǎng)時(shí)間加熱共熔而成，這種方法能耗高，工藝復(fù)雜，制備出來的多孔玻璃材料成本較高，強(qiáng)度低，而且孔徑大。如中國專利公開號(hào)CN1850682公開了一種“利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法”，利用這種方法制備多孔玻璃復(fù)合材料時(shí)，工藝復(fù)雜，制備出來的材料孔徑為0.9mm，容重1.5g/cm3，抗壓強(qiáng)度為60Mpa。
近年來出現(xiàn)了自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)制取金屬間化合物，但還沒有用這種方法制備多孔玻璃陶瓷的。它具有下列優(yōu)勢(shì)①節(jié)能，不需要高溫加熱爐；②反應(yīng)效率高，燃燒波的移動(dòng)速度一般為每秒鐘幾毫米到幾厘米，整個(gè)經(jīng)歷時(shí)間短；③產(chǎn)物純度高，反應(yīng)過程的高溫能使多數(shù)雜質(zhì)氣化；④工藝簡(jiǎn)單。這種SHS過程可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)，即蔓延燃燒和熱爆燃燒。蔓延燃燒是通過外部熱源引發(fā)反應(yīng)，依靠反應(yīng)熱激發(fā)生坯中鄰近區(qū)域的反應(yīng)，形成自我維持的燃燒波。熱爆燃燒是將生坯均勻加熱到燃燒溫度，反應(yīng)在整個(gè)坯體中同時(shí)開始，同步結(jié)束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有玻璃陶瓷成本高、強(qiáng)度低的問題，提供一種利用自蔓延高溫化學(xué)合成法合成的多孔玻璃陶瓷；本發(fā)明為解決現(xiàn)有制備玻璃陶瓷工藝復(fù)雜、成本高的問題，提供一種制取多孔玻璃陶瓷的方法；本發(fā)明同時(shí)提供上述多孔玻璃陶瓷的用途。
為解決上述問題，本發(fā)明的多孔玻璃陶瓷是將TiO2、B2O3、Al、Mg四種粉末按照要求的配比球磨混合、軸壓致密制成生坯，利用外部熱源引發(fā)反應(yīng)，原位合成在Al2O3-B2O3-MgO玻璃相基體中均勻分散著尺寸小于0.5μm的TiB2顆粒晶相，這種多孔玻璃陶瓷的表觀孔隙率達(dá)到52-58％，總體平均孔隙率達(dá)到66-70％，孔徑為17-60微米，抗壓強(qiáng)度為80-120Mpa。
其具體制備方法是一、取反應(yīng)物粉末按照下述反應(yīng)式配比稱取TiO、B2O3、Al、Mg四種物質(zhì)，在空氣中球磨混合成粒徑小于45μm的反應(yīng)物粉末。
αTiO2+(α+x)B2O3+2βAl+γMg→αTiB2+βAl2O3.xB2O3γMgO其中β可以是任何數(shù)α＝0.2(3β+γ)γ＝βfm/fax＝βfb/fa上述的fm，fn和fb分別代表玻璃基體中MgO，Al2O3和B2O3的摩爾分?jǐn)?shù)(不包括TiB2)二、制取生坯將上述混合均勻的粉末裝入易燃材料制作的圓柱形模具中，軸向加壓緊實(shí)成為理論致密度為34-60％的低密度生坯。
制取低密度生坯的具體過程為(1)將干燥的反應(yīng)物粉末裝入模具中使粉末呈自然疏松狀；(2)輕微震動(dòng)至與所需密度相對(duì)應(yīng)的粉料高度；(3)將模具裝入預(yù)先加熱到一定溫度的爐子中保溫最短的時(shí)間，溫度和時(shí)間具體關(guān)系是t＝(5-10)m/T，其中t--保溫時(shí)間，單位為分鐘；m-生坯質(zhì)量，單位為克；T-為加熱爐溫度，單位為K)，過高的溫度或者過長(zhǎng)的時(shí)間，可能使反應(yīng)物粉末過燒結(jié)，導(dǎo)致點(diǎn)火和燃燒波蔓延困難；太低的溫度和太短的時(shí)間，又造成反應(yīng)物粉末欠燒結(jié)，導(dǎo)致坯體強(qiáng)度較低，后續(xù)處理困難。
三、燃燒合成采用自蔓延高溫合成法中的蔓延燃燒或同步燃燒點(diǎn)燃生坯，引發(fā)反應(yīng)，形成自我維持的燃燒波，反應(yīng)在整個(gè)坯體中擴(kuò)展蔓延即可合成；蔓延燃燒時(shí)，將坯體置于反應(yīng)腔或者空氣中，自一端點(diǎn)火，根據(jù)生坯的密度、顆粒大小和成分不同，自我維持燃燒溫度為1200-1600℃，燃燒波蔓延速度為1-6mm/s；同步燃燒時(shí)，將坯體置于加熱爐中，均勻加熱至700-900℃，燃燒反應(yīng)在整個(gè)坯體中同時(shí)發(fā)生，一旦反應(yīng)結(jié)束，立即將坯體自加熱爐中取出。
本發(fā)明的復(fù)合材料是以純玻璃相為基體或者以絕大多數(shù)玻璃相加部分未玻璃化的區(qū)域的基體加TiB2晶相，玻璃基體的含量和成分都可以調(diào)整，通過調(diào)整反應(yīng)式中的β，x，γ，可以改變玻璃基體中氧化物的相對(duì)含量。
經(jīng)射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)分析證明，用本發(fā)明方法制備的玻璃-陶瓷復(fù)合材料以顆粒狀形式存在的TiB2相的尺寸小于0.5μm，作為復(fù)合材料中唯一的晶體相分散在玻璃基體中。TiB2的尺寸依賴于坯體的成分，但一般都小于0.5μm。
反應(yīng)后樣品的孔隙度采用阿基米德法測(cè)量，不論生坯組成和密度如何，總體孔隙度都在66-71％范圍內(nèi)，而且表觀孔隙度差別也較少，均為52-58％。但是由低密度的生坯(密度＜35％)得到的樣品與高密度的生坯(密度＞50％)相比，孔洞分布均勻，表面光滑。
用X-Ray衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)表征反應(yīng)后產(chǎn)物的微觀組織結(jié)構(gòu)特性。每種樣品截取兩組試樣，一組拋光后用于SEM組織觀察，另一組研磨成粉狀用于XRD物相分析。
XRD分析和SEM研究結(jié)果表明當(dāng)基體成分為40％B2O3-35％MgO-25％Al2O3，是純玻璃狀態(tài)。成分為45％B2O3-40％MgO-15％Al2O3的基體，具有最小的不透明區(qū)域和最少的晶化相，接近于純玻璃態(tài)。其他成分的復(fù)合材料的基體皆為絕大部分玻璃態(tài)加部分不透明區(qū)域和一定量的晶體相。
本發(fā)明的有益效果是合成以為玻璃基體，結(jié)合TiB2陶瓷的復(fù)合材料；玻璃基體的含量和成分都可以調(diào)整；這種材料具有大的孔隙度，同時(shí)具備較高的強(qiáng)度；涉及的制備工藝簡(jiǎn)單，這種復(fù)合材料的制作成本低廉。
本發(fā)明最終產(chǎn)品具有較高的孔隙度，表觀孔隙度達(dá)到52-58％，總體平均孔隙度達(dá)到66-70％，這種材料適用于催化劑載體、柴油機(jī)尾氣排放微粒捕集以及其他固體顆粒的分離回收、液體的凈化過濾、極端高溫環(huán)境的發(fā)散冷卻、氣流的分布控制、氣浮傳輸、氣樣采集、強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱和阻燃防爆等方面，可廣泛應(yīng)用于環(huán)保、石油、化工、冶金、機(jī)械、能源、紡織、電力、航空、航天等許多工業(yè)領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實(shí)施例一制備玻璃基體為40％B2O3-40％MgO-20％Al2O3(mol.％)的玻璃陶瓷，即fm＝0.4，fa＝0.2，fb＝0.4。
按照技術(shù)方案所述稱取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四種粉末，干燥后在空氣中球磨混合。裝入圓柱形模具中，軸向加壓至理論密度53±2％。將坯體置于反應(yīng)腔中并充入氬氣保護(hù)，用通電加熱的盤狀鎢絲點(diǎn)燃反應(yīng)。燃燒溫度為1360℃，燃燒波速度為2-6mm/sec。對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析和SEM觀察，結(jié)果表明基體主要是玻璃相，另有極少部分的不透明區(qū)。TiB2以顆粒狀形式存在，尺寸小于0.5μm。產(chǎn)品平均表觀孔隙率56±2％，總體平均孔隙率為68±2％。
實(shí)施例二，制備玻璃基體為40％B2O3-30％MgO-30％Al2O3(mol.％)的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.3，fa＝0.2，fb＝0.4。
按照技術(shù)方案所述稱取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四種粉末，干燥后在空氣中球磨混合。裝入圓柱形模具中，軸向加壓至理論密度55±2％。坯體放在在空氣中，用通電加熱的盤狀鎢絲點(diǎn)燃反應(yīng)。燃燒溫度為1422℃，燃燒波速度為3.2mm/sec。對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析和SEM觀察，結(jié)果表明基體全部未玻璃化狀態(tài)，XRD中出現(xiàn)大量基體衍射峰。TiB2以顆粒狀形式存在，尺寸小于0.5μm。產(chǎn)品平均表觀孔隙率61±2％，總體平均孔隙率為71±2％。
實(shí)施例三，制備玻璃基體為50％B2O3-30％MgO-20％Al2O3(mol.％)的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.3，fa＝0.2，fb＝0.5。
按照技術(shù)方案所述稱取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四種粉末，干燥后在空氣中球磨混合。裝入圓柱形模具中，軸向加壓至理論密度55±2％。將坯體置于溫度為700℃的加熱爐中，反應(yīng)很快在整個(gè)坯體中開始(同步燃燒)。對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析和SEM觀察，結(jié)果表明基體主要是玻璃相，另有極少部分的不透明區(qū)。TiB2以顆粒狀形式存在，尺寸小于0.5μm。產(chǎn)品平均表觀孔隙率為52±2％，總體平均孔隙率為64±2％。
實(shí)施例四制備玻璃基體為玻璃基體40％B2O3-35％MgO-25％Al2O3(mol.％)的的多孔玻璃陶瓷，即fm＝0.35，fa＝0.25，fb＝0.4。
按照技術(shù)方案所述稱取配置TiO2、B2O3、Al、Mg四種粉末，干燥后在空氣中球磨混合。裝入圓管狀模具中，外徑50mm，內(nèi)徑40mm，用前述技術(shù)方案中低密度生坯的準(zhǔn)備方法，使管狀坯體理論密度達(dá)到42±2％。將坯體置于反應(yīng)腔中，充入氬氣保護(hù)，用通電加熱的盤狀鎢絲點(diǎn)燃反應(yīng)。燃燒溫度為1483℃，燃燒波速度為5.3mm/sec。對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析和SEM觀察，結(jié)果表明基體是單純的玻璃相。TiB2以顆粒狀形式存在，尺寸小于0.5μm。產(chǎn)品平均表觀孔隙率為52±2％，總體平均孔隙率為65±2％。
權(quán)利要求
1.一種多孔玻璃陶瓷，其特征是，它是在Al2O3-B2O3-MgO玻璃相基體中均勻分散著尺寸小于0.5μm的TiB2陶瓷顆粒晶相，這種多孔玻璃陶瓷的表觀孔隙率達(dá)到52-58％，總體平均孔隙率達(dá)到66-70％，孔徑為17-60微米，抗壓強(qiáng)度為80-120Mpa。
2.一種多孔玻璃陶瓷的制備方法，它包括以下步驟(1)制取反應(yīng)物粉末按照下述反應(yīng)式配比稱取TiO、B2O3、Al、Mg四種物質(zhì)，在空氣中球磨混合成粒徑小于45μm的反應(yīng)物粉末；αTiO2+(α+x)B2O3+2βAl+γMg→αTiB2+βAl2O3·xB2O3γMgO其中β可以是任何數(shù)α＝0.2(3β+γ)γ＝βfm/fax＝βfb/fa上述的fm，fa和fb分別代表玻璃基體中MgO、Al2O3和B2O3的摩爾分?jǐn)?shù)；(2)制取生坯將上述混合均勻的粉末裝入易燃材料制作的圓柱形模具中，軸向加壓緊實(shí)成為理論致密度為34-60％的生坯；制取生坯的具體過程為①將干燥的反應(yīng)物粉末裝入模具中使粉末呈自然疏松狀；②輕微震動(dòng)至與所需密度相對(duì)應(yīng)的粉料高度；③將模具裝入預(yù)先加熱到一定溫度的爐子中保溫最短的時(shí)間，溫度T和時(shí)間t具體關(guān)系是t＝(5-10)m/T，其中t-保溫時(shí)間，單位為分鐘；m-生坯質(zhì)量，單位為克；T-為加熱爐溫度，單位為K；(3)燃燒合成采用自蔓延高溫合成法中的蔓延燃燒或同步燃燒中的其中一種燃燒方法點(diǎn)燃生坯，引發(fā)反應(yīng)，形成自我維持的燃燒波，反應(yīng)在整個(gè)坯體中擴(kuò)展蔓延即可合成；當(dāng)采用蔓延燃燒時(shí)，要求將坯體置于反應(yīng)腔或者空氣中，自一端點(diǎn)火，自我維持燃燒溫度為1200-1600℃，燃燒波蔓延速度為1-6mm/s；當(dāng)采用同步燃燒時(shí)，要求將坯體置于加熱爐中，均勻加熱至700-900℃，燃燒反應(yīng)在整個(gè)坯體中同時(shí)發(fā)生，一旦反應(yīng)結(jié)束，立即將坯體從加熱爐中取出。
3.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征在于制備催化劑載體中的用途。
4.、如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征在于制備柴油機(jī)尾氣排放微粒捕集器中的用途。
5.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在液體凈化過濾中的應(yīng)用。
6.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在固體顆粒分離回收中的應(yīng)用。
7.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在極端高溫環(huán)境發(fā)散冷卻中的應(yīng)用。
8.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在阻燃防爆中的應(yīng)用。
9.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在氣流的分布控制、氣浮傳輸和氣樣采集中的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求1所述的多孔玻璃陶瓷，其特征是，在強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔玻璃陶瓷、制備方法及其用途，它是利用自蔓延高溫合成法合成在Al
文檔編號(hào)C04B35/04GK101062836SQ20071001331
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者崔洪芝 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)