專利名稱：一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多孔陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
多孔陶瓷具有高的氣孔率和大的比表面積，可以作為各種工業(yè)廢水、廢氣的過濾材料、催化劑的載體、高溫保溫材料以及熱交換器材料。不同的使用要求，對多孔陶瓷的氣 孔率、孔尺寸和孔形貌的要求不一樣。目前，制備多孔陶瓷的方法很多，比如發(fā)泡法、添加造孔劑法、有機(jī)泡沫浸潰法、凝膠注模法等。但是他們都有一個共同特點需要在較高的溫度(500°C以上)下實施熱處理工藝，用以排除造孔劑及其其它有機(jī)物。這樣就會導(dǎo)致材料(特別是非氧化物材料)的早期氧化。從而影響其性能。此外，這些方法還存在其他問題1、氣孔分布不均勻。2、氣孔形狀難以控制。如果能在陶瓷粉體內(nèi)部采用物理或化學(xué)的方法，引入某種造孔劑的前驅(qū)體溶液，采用相分離技術(shù)，通過控制體系溫度，控制造孔劑的結(jié)晶過程，從而達(dá)到控制造孔劑的數(shù)量、大小、形狀及分布，就有可能實現(xiàn)有效控制多孔陶瓷中氣孔結(jié)構(gòu)的目的。目前國內(nèi)外還沒有利用這種方法制備多孔陶瓷的文獻(xiàn)和公開發(fā)明專利。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，該方法具有對氣孔形貌和氣孔大小可控且能夠低溫造孔的特點。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，使用易揮發(fā)的苯甲酸BA作為造孔劑，將其溶于無水乙醇中，然后通過熱致相分離技術(shù)控制造孔劑數(shù)量和形貌，采用傳統(tǒng)的注漿成型方法制備陶瓷素坯。具體制備方法包括如下步驟(I)苯甲酸飽和溶液的配置按質(zhì)量比BA :無水乙醇=1-1. 4配制BA-乙醇溶液，將溶液在60°C下攪拌直到BA完全溶解于無水乙醇中；(2)陶瓷漿料的制備將提前混合均勻的陶瓷粉和燒結(jié)助劑一起倒入步驟(I)配置好的BA-乙醇溶液中配置陶瓷漿料，其中BA-乙醇溶液質(zhì)量:陶瓷粉質(zhì)量=1:1.5,再添加占陶瓷漿料l_5wt. %分散劑，在60°C下用磁力攪拌器攪拌陶瓷漿料，磁力攪拌器旋轉(zhuǎn)速率為200-400r/min，攪拌時間為2_4h ；(3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料在30°C -50°c下繼續(xù)攪拌，使其充分相分離析出造孔劑BA，然后倒入預(yù)熱至相同溫度的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被充分吸收后，脫模，取出陶瓷素坯；(4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至130-150°C保溫12-24h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體；(5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔陶瓷坯體，在1600-1800°C下燒結(jié)2_4h。步驟(I)所述的BA純度為99%的工業(yè)級。步驟(I)所述的將溶液在60°C下攪拌為將溶液置于配有60°C水浴加熱的電磁攪拌器中攪拌。步驟(2 )所述的陶瓷粉和燒結(jié)助劑的質(zhì)量比為95:5。步驟(2)所述的燒結(jié)助劑為Y203。步驟(2)所述的分散劑為聚乙烯吡咯烷酮PVP。
步驟(5)的燒結(jié)工藝，當(dāng)多孔陶瓷為多孔氮化硅時，其燒結(jié)溫度為1700_1750°C，保溫時間2-4h ;當(dāng)多孔陶瓷為多孔SiAlON時，其燒結(jié)溫度分為兩個階段首先在1300°C下氮化2-4h，然后再1600-1750°C下，保溫2_4h。制備的多孔陶瓷的氣孔率在50-69%之間。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點 (I)制備工藝簡單，原料單一，無需復(fù)雜的工藝設(shè)備和工藝過程，采用注漿成型，可以制備形狀復(fù)雜的多孔陶瓷。(2)排膠溫度低、時間短，造孔劑排除干凈，無殘留物存在，且避免了陶瓷的氧化，同時節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)周期和降低了能耗。(3)該發(fā)明排除造孔劑BA完全，沒有殘余物質(zhì)存留于氣孔中，減少了雜質(zhì)對陶瓷材料性能的影響。(4)該發(fā)明能夠通過控制相分離溫度，降溫速度以及溶液粘度來控制分離相(造孔齊IJ)的數(shù)量、尺寸和形狀。從而控制多孔陶瓷的氣孔率大小和孔形狀。


圖I為本發(fā)明制備方法框圖。圖2為實施例I制備的多孔Si3N4的SEM照片。圖3為實施例4制備氣孔率為56%的多孔β -SiAlON的SEM照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例I :根據(jù)圖I所示的流程，本實施例利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，具體實施過程如下(I)苯甲酸飽和溶液的配置稱取IOOg的無水乙醇，向其中添加140gBA后，置于60°C水浴坩堝中，使用電磁攪拌器攪拌待到BA完全溶解形成清澈的溶液；(2)陶瓷漿料的制備將150g氮化硅陶瓷及其燒結(jié)助劑的混合物(其中氮化硅陶瓷為142. 5g，燒結(jié)助劑Y2O3為7. 5g)倒入配置好的溶液中，向溶液中添加4. 5g分散劑PVP，在60°C下使用電磁攪拌器攪拌4h,攪拌速度200r/min ；(3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料置于30°C下，使過飽和溶液發(fā)生固-液相分離析出造孔劑BA ;然后將相分離后的陶瓷漿料倒入預(yù)熱至30°C的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被充分吸收后，置于30°C下干燥素坯后脫模，取出陶瓷素坯；(4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于50°C烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至140°C保溫12h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體；(5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔氮化硅陶瓷素坯放入氣氛爐中，氮氣氣壓為O. 5MPa，在 1700°C下燒結(jié) 3h。本實施例制備的產(chǎn)品為多孔氮化硅陶瓷，氣孔率為69%，氣孔尺寸為10-50 μ m。制備的多孔Si3N4的SEM照片如圖2所示。實施例2 根據(jù)圖I所示的流程，本實施例利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，具體實施過程如下 (I)苯甲酸飽和溶液的配置稱取IOOg的無水乙醇，向其中添加140gBA后，置于60°C水浴坩堝中，使用電磁攪拌器攪拌待到BA完全溶解形成清澈的溶液；(2)陶瓷漿料的制備將150g氮化硅陶瓷及其燒結(jié)助劑的混合物(其中氮化硅陶瓷為142. 5g，燒結(jié)助劑Y2O3為7. 5g)倒入配置好的溶液中，向溶液中添加4. 5g分散劑PVP，在60°C下使用電磁攪拌器攪拌3h,攪拌速度300r/min ；(3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料以5°C /min的降溫速度降溫至40°C，過飽和溶液發(fā)生固-液相分離，析出較小長徑比、細(xì)小的BA ;然后將相分離后的陶瓷漿料倒入40°C下的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被充分吸收后，置于40°C下干燥素坯后脫模，取出陶瓷素坯；(4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于50°C烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至150°C保溫12h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體；(5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔氮化硅陶瓷素坯放入氣氛爐中，氮氣氣壓為O. 5MPa，在 1800°C下燒結(jié) 2h。本實施例制備的產(chǎn)品為多孔氮化硅陶瓷，氣孔率為60%，氣孔尺寸為10-100 μ m。實施例3 根據(jù)圖I所示的流程，本實施例利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，具體實施過程如下(I)苯甲酸飽和溶液的配置稱取IOOg的無水乙醇，向其中添加140gBA后，置于60°C水浴坩堝中，使用電磁攪拌器攪拌待到BA完全溶解形成清澈的溶液；(2)陶瓷漿料的制備將150g硅粉、氧化鋁粉和燒結(jié)助劑混合(Si A1203=30 :67，Y2O3占混合物質(zhì)量3%)倒入配置好的溶液中，向溶液中添加4. 5g分散劑PVP，在60°C下使用電磁攪拌器攪拌2h,攪拌速度400r/min ；(3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料以5°C/min的降溫速度降溫至50°C，過飽和溶液發(fā)生固-液相分離，析出不同形貌的造孔劑BA ;然后將相分離后的陶瓷漿料倒入50°C下的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被充分吸收后，置于50°C下干燥素坯后脫模，取出陶瓷素坯；(4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于50°C烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至130°C保溫24h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體；(5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔氮化硅陶瓷素坯放入氣氛爐中，氮氣氣壓為O. 5MPa，1300°C反應(yīng)燒結(jié)，反應(yīng)燒結(jié)4h后，再在1600°C下燒結(jié)4h。本實施例制備的產(chǎn)品為多孔β -SiAlON (Si6_zAlz0zN8_z，ζ=0_4· 2)陶瓷，其中ζ=1，氣孔率為65%。實施例4 根據(jù)圖I所示的流程，本實施例利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，具體實施過程如下(I)苯甲酸飽和溶液的配置稱取IOOg的無水乙醇，向其中添加IOOgBA后，置于60°C水浴坩堝中，使用電磁攪拌器攪拌待到BA完全溶解形成清澈的溶液；(2)陶瓷漿料的制備將150g硅粉、氧化鋁粉和燒結(jié)助劑混合(Si A1203=50 -Al,占混合物3%Y203)倒入配置好的溶液中，向溶液中添加4. 5g分散劑PVP，在60°C下使用電磁攪拌器攪拌4h,攪拌速度200r/min ；·(3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料以5°C/min的降溫速度降溫至30°C，過飽和溶液發(fā)生固-液相分離，析出不同形貌的造孔劑BA ;然后將相分離后的陶瓷漿料倒入30°C下的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被充分吸收后，置于30°C下干燥素坯后脫模，取出陶瓷素坯；(4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于50°C烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至130°C保溫12h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體；(5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔氮化硅陶瓷素坯放入氣氛爐中，氮氣氣壓為
O.5MPa，1300°C反應(yīng)燒結(jié)，反應(yīng)燒結(jié)4h后，再在1750°C下燒結(jié)2h。本實施例制備的產(chǎn)品為多孔β -SiAlON陶瓷，其中ζ=2，氣孔率為56%，孔徑尺寸小于10 μ m。制備氣孔率為56%的多孔β -SiAlON的SEM照片如圖3所示。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，其特征在于使用易揮發(fā)的苯甲酸BA作為造孔劑，將其溶于無水乙醇中，然后通過熱致相分離技術(shù)控制造孔劑數(shù)量和形貌，采用傳統(tǒng)的注漿成型方法制備陶瓷素坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于具體制備方法包括如下步驟 (1)苯甲酸飽和溶液的配置按質(zhì)量比BA:無水乙醇=1-1. 4配制BA-乙醇溶液，將溶液在60°C下攪拌直到BA完全溶解于無水乙醇中； (2)陶瓷漿料的制備將提前混合均勻的陶瓷粉和燒結(jié)助劑一起倒入步驟(I)配置好的BA-乙醇溶液中配置陶瓷漿料，其中BA-乙醇溶液質(zhì)量:陶瓷粉質(zhì)量5，再添加占陶瓷漿料l_5wt. %分散劑，在60°C下用磁力攪拌器攪拌陶瓷漿料，磁力攪拌器旋轉(zhuǎn)速率為200-400r/min，攪拌時間為2_4h ； (3)坯體成型將攪拌均勻的陶瓷漿料在30°C_50°C下繼續(xù)攪拌，使其充分相分離析出造孔劑BA，然后倒入預(yù)熱至相同溫度的干燥石膏模具中成型，待陶瓷漿料中多余的液相被 充分吸收后，脫模，取出陶瓷素坯； (4)排除造孔劑干燥后的陶瓷素坯置于烘箱中，待無水乙醇充分蒸發(fā)，將烘箱的溫度升高至130-150°C保溫12-24h，使得造孔劑充分揮發(fā)形成多孔陶瓷坯體； (5)燒結(jié)將排除造孔劑后的多孔陶瓷坯體，在1600-1800°C下燒結(jié)2-4h。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(I)所述的BA純度為99%的工業(yè)級。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(I)所述的將溶液在60°C下攪拌為將溶液置于配有60°C水浴加熱的電磁攪拌器中攪拌。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)所述的陶瓷粉和燒結(jié)助劑的質(zhì)量比為95 5o
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)所述的燒結(jié)助劑為Υ203。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)所述的分散劑為聚乙烯吡咯烷酮PVP。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(5)的燒結(jié)工藝，當(dāng)多孔陶瓷為多孔氮化硅時，其燒結(jié)溫度為1700-1750°C，保溫時間2-4h ;當(dāng)多孔陶瓷為多孔SiAlON時，其燒結(jié)溫度分為兩個階段首先在1300°C下氮化2-4h，然后再1600-1800°C下，保溫2_4h。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于制備的多孔陶瓷的氣孔率在50-69%之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用熱致相分離技術(shù)制備多孔陶瓷的方法，該方法使用易揮發(fā)的苯甲酸BA作為造孔劑，將其溶于無水乙醇中，然后通過熱致相分離技術(shù)控制造孔劑數(shù)量和形貌，采用傳統(tǒng)的注漿成型方法制備陶瓷素坯；該發(fā)明能夠通過控制相分離溫度，降溫速度以及溶液粘度來控制分離相造孔劑的數(shù)量、尺寸和形狀；從而控制多孔陶瓷的氣孔率大小和孔形狀；具有對氣孔形貌和氣孔大小可控且能夠低溫造孔的優(yōu)點。
文檔編號C04B35/584GK102951924SQ20121045167
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者王紅潔, 岳建設(shè), 董斌超, 喬冠軍, 史忠旗 申請人:西安交通大學(xué)