專利名稱：：一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種多孔陶瓷，尤其是涉及一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
：由于多孔陶瓷內(nèi)部均勻分布著相互貫通的微孔或孔洞，使其主要性能在于具有氣孔率和滲透率較高，體積密度較小，比表面積較大，氣孔形狀、孔徑和氣孔在三維空間的分布可以調(diào)節(jié)，機(jī)械強(qiáng)度較高，化學(xué)穩(wěn)定性、隔熱性能、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性較好，使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型綠色功能材料。因此利用多孔陶瓷的均勾透過性，可以制造各種過濾器、分離裝置、流體分布元件和混合元件等；利用其發(fā)達(dá)的比表面積，可以制成各種多孔電極、催化劑載體和熱交換器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可以制成各種吸音材料和減震材料等；利用多孔陶瓷低的密度、低的熱傳導(dǎo)性能，還可以制成各種保溫材料、耐火材料、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)生物材料、醫(yī)用植人材料、特種墻體材料和傳感器材料等。其應(yīng)用己遍及冶金、化工、環(huán)保、能源、生物等多個(gè)領(lǐng)域，引起了全球材料學(xué)科的高度關(guān)注，在世界范圍內(nèi)掀起了多孔陶瓷的研究高潮，多孔陶瓷的應(yīng)用范圍仍在不斷地進(jìn)一步發(fā)展。多孔陶瓷的首要特征是其多孔特性，制備的關(guān)鍵和難點(diǎn)是形成多孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用目的和對(duì)材料性能要求的不同,人們已經(jīng)發(fā)展了多種不同的多孔陶瓷的制備方法，美國(guó)專利US5192607和US5643987介紹了在陶瓷坯料內(nèi)引入聚合分散物，加熱時(shí)可聚合并構(gòu)成連續(xù)空間結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物生產(chǎn)多孔陶瓷的方法。江昕等(江昕，尹美珍.多孔陶瓷材料的制備技術(shù)及應(yīng)用.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2002，(1):15-18)報(bào)道了多孔陶瓷材料的制備技術(shù)及應(yīng)用。為了改善多孔陶瓷的過濾性能，Tomita等人采用反復(fù)噴涂泥漿再干燥的工藝，使氣孔率由表面到內(nèi)層經(jīng)歷逐步增大的變化而獲得變氣孔率制品。朱時(shí)珍等(朱時(shí)珍，趙振波，劉慶國(guó).多孔陶瓷材料的制備技術(shù).材料科學(xué)與工程，1996(3):33-38)報(bào)道了多孔陶瓷材料的制備技術(shù)，在處理廢氣過程中減少了側(cè)壁的滲漏。在發(fā)泡法制備多孔陶瓷方面，Satoh等利用SiC、Si3N4、BN、碳黑和碳酸鹽等作為發(fā)泡劑，精確控制熔點(diǎn)和熔體粘度，制造出復(fù)相多孔陶瓷。許中強(qiáng)等(許中強(qiáng)，陳慶齡，盧冠中.在多孔陶瓷載體上X型分子篩生長(zhǎng)成膜的研究.石油化工，2000，29:578-581)對(duì)合成膜的晶化液組成，晶化溫度，晶化時(shí)間等生長(zhǎng)條件作了詳細(xì)的研究，獲得了較理想的均勻連續(xù)的膜。俄羅斯專家和我國(guó)山東科技大學(xué)合作利用鎳、鋁、鈦等金屬之間的4白蔓延高溫合成反應(yīng)制備金屬間化合物多孔材料(劉得利.微孔陶瓷的生產(chǎn)方法.山東陶瓷，2003，，26(1):19-21)，它既具有金屬的強(qiáng)韌性又有陶瓷的高硬度和耐熱性，將其做成多孔狀用于汽車尾氣凈化，是理想的催化劑載體材料。在眾多的制備工藝中,成孔原理可以歸結(jié)為如下幾類:(l)機(jī)械擠出成孔；(2)顆粒堆積留下空隙形成氣孔；(3)利用添加易揮發(fā)物產(chǎn)生氣孔；(4)利用發(fā)泡形成氣孔；(5)利用多孔模板復(fù)制形成氣孔；(6)利用凝膠結(jié)構(gòu)形成氣孔；(7)冷凍干燥形成氣孔。但是這些制備工藝過程中存在著不能制成微米級(jí)的孔、空隙分布不均勻、孔與孔不能連續(xù)貫通、工藝復(fù)雜等一些問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種氣孔率和強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱系數(shù)較低，方法簡(jiǎn)單易行、成本較低的硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟1)取MgO原料鍛燒，以排除C02和水分，將Si02烘干；2)將氧化鎂和二氧化硅混合，球磨，得氧化鎂和二氧化硅混合粉料；3)將氧化鎂和二氧化硅混合粉料烘干，過篩，預(yù)燒，球磨，再烘干和再過篩，得硅酸鎂粉；4)將硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入玉米淀粉和分散劑后球磨，再加入催化劑和引發(fā)劑，混合后注入模具，得成型坯體；5)將成型坯體脫模后，燒結(jié)，得硅酸鎂多孔陶瓷。在步驟1)中，所述鍛燒的溫度最好為500800°C，鍛燒的時(shí)間最好為24h，所述烘干的溫度最好為80150°C，烘干的時(shí)間最好為24h。在步驟2)中，所述將氧化鎂和二氧化硅混合，按Mg/Si非化學(xué)計(jì)量比R-2.05，所述球磨的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速最好為200400rpm/min，球磨的時(shí)間最好為612h。在步驟3)中，所述過篩最好過60160目篩，所述預(yù)燒的溫度最好為10501250°C,預(yù)燒的時(shí)間最好為35h，所述再過篩最好過60160目篩，所得硅酸鎂粉的粒度可達(dá)到100250拜。在步驟4)中，所述將硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備陶瓷漿料的陶瓷漿料的含固量按質(zhì)量百分比最好大于50%;所述在陶瓷漿料中加入玉米淀粉和分散劑，按質(zhì)量百分比，玉米淀粉的加入量最好為硅酸鎂粉5%30%，分散劑的加入量最好為硅酸鎂粉的0%5%;所述預(yù)混液最好為丙烯酰胺(AM)和N,N，-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)，按質(zhì)量比，丙烯酰胺(AM):N,N，-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)最好為(524):1;所述分散劑最好為TH-9045水性分散劑，所述引發(fā)劑最好為過硫酸銨(APS)水溶液，按質(zhì)量百分比，過硫酸銨(APS)水溶液的濃度最好為5%;所述催化劑最好為N,N，N,N,-四甲基乙二胺(TEMED)水溶液，按質(zhì)量百分比，N,N，N，N,-四甲基乙二胺(TEMED)水溶液的濃度最好為5%。在步驟5)中，所述燒結(jié)的溫度最好是在60(TC以下升溫速率為l2°C/min，然后以3~5°C/min的速率升至12801360°C，再保溫120240min。由于本發(fā)明選用硅酸鎂做多孔材料，將添加造空材料與多孔陶瓷的凝膠澆注原位成型工藝相結(jié)合，利用有機(jī)物形成的網(wǎng)絡(luò)將陶瓷粉料粘結(jié)起來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多孔陶瓷的低密度和復(fù)雜形狀成型的精確控制，因此不僅成型過程簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)施，只需要于模具中凝膠注模成型即可，而且空隙分布更為均勻，成本低廉。制成的硅酸鎂多孔陶瓷材料的空隙率可以達(dá)到44.01%，密度在1.6g/cit^左右，室溫抗壓強(qiáng)度為1030MPa，導(dǎo)熱系數(shù)(室溫)<1.0W/m.k，1020GHz頻段下介電常數(shù)CT〈4.2，Qxf值〉10091GHz，介電損耗<0.0018。圖1為本發(fā)明凝膠注模成型過程中的分散劑用量與漿料粘度關(guān)系圖。在圖1中，橫坐標(biāo)為分散齊U用量Dispersantcontent(wt%)，縱坐標(biāo)為豐占度Viscosity(mPa.s)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例4的硅酸鎂多孔陶瓷的5000倍放大SEM圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。從圖1所示的分散劑用量與漿料粘度關(guān)系圖可以看出分散劑加入后，在初始階段，隨著分散劑的加入陶瓷漿料開始流動(dòng)，粘度急劇下降。當(dāng)分散劑加到2.4wtX后，再加入分散劑，漿科的粘度變化已經(jīng)不明顯了，這說明粉體對(duì)分散劑的吸附已經(jīng)趨于飽和。當(dāng)加入分散劑的用量超過3wt^后，漿料的粘度又開始上升。這是因?yàn)楦叻肿訚舛冗^大，過剩的聚電解質(zhì)分子相互橋聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)極大地限制了顆粒的運(yùn)動(dòng)，陶瓷顆粒反而會(huì)被大分子結(jié)合成團(tuán)聚體，從而導(dǎo)致漿料絮凝,粘度升高。從圖2所示SEM圖可以看出加入30。/。淀粉凝膠注模成型后燒結(jié)的硅酸鎂多孔陶瓷的樣品的氣孔分布比較的均勻。實(shí)施例1稱取MgO粉，先放在馬弗爐里在50(TC下鍛燒3h，以排除C02和水分；再將Si02放在干燥箱里在10(TC烘干24h，以免因吸潮而帶來的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過后的原料按MgO/Si02配比R=2.05精確稱量后配料。將配好的粉料放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中1200'C空氣氣氛中預(yù)燒3h，使原料粉末充分反應(yīng)。預(yù)燒粉料經(jīng)球磨、烘干和過篩處理，使得粉料粒度達(dá)到100nm，得到的硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備固含量大于50%的陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入按照硅酸鎂粉5wtM的比例的玉米淀粉和分散劑后球磨促進(jìn)漿料分散均勻，再將引發(fā)劑和催化劑加入漿料并均勻混合后快速注入模具，脫模后干燥的陶瓷坯體在空氣氣氛下無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1360。C，高溫保溫180min燒成，制得硅酸鎂多孔陶瓷。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表l。表l。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例2稱取MgO粉，先放在馬弗爐里在70(TC下鍛燒4h，以排除C02和水分；再將Si02放在干燥箱里在15(TC烘干12h，以免因吸潮而帶來的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過后的原料按MgO/Si02配比R=2.05精確稱量后配料。將配好的粉料放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中1050'C空氣氣氛中預(yù)燒5h，使原料粉末充分反應(yīng)。預(yù)燒粉料經(jīng)球磨、烘干和過篩處理，使得粉料粒度達(dá)到150pm，得到的硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備固含量大于50%的陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入按照硅酸鎂粉10wt。/。的比例的玉米淀粉和分散劑后球磨促進(jìn)漿料分散均勻，再將引發(fā)劑和催化劑加入漿料并均勻混合后快速注入模具，脫模后干燥的陶瓷坯體在空氣氣氛下無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為134(TC，高溫保溫120min燒成，制得硅酸鎂多孔陶瓷。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表2。表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例3稱MgO粉，先放在馬弗爐里在80(TC下鍛燒2h，以排除C02和水分；再將Si02放在干燥箱里在8(TC烘干24h，以免因吸潮而帶來的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過后的原料按MgO/Si02配比R=2.05精確稱量后配料。將配好的粉料放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中110(TC空氣氣氛中預(yù)燒4h，使原料粉末充分反應(yīng)。預(yù)燒粉料經(jīng)球磨、烘干和過篩處理，使得粉料粒度達(dá)到250pm，得到的硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備固含量大于50%的陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入按照硅酸鎂粉20wt。/。的比例的玉米淀粉和分散劑后球磨促進(jìn)漿料分散均勻，再將引發(fā)劑和催化劑加入漿料并均勻混合后快速注入模具，脫模后干燥的陶瓷坯體在空氣氣氛下無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為130(TC，高溫保溫240min燒成，制得硅酸鎂多孔陶瓷。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表3。表3密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電Cg/cm3)(%)(MPa)(W/m.k)常數(shù)損耗2.0031.0%15.780.453.420.0019實(shí)施例4稱取MgO粉，先放在馬弗爐里在600'C下鍛燒3h，以排除C02和水分；再將Si02放在干燥箱里在120'C烘干18h，以免因吸潮而帶來的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過后的原料按MgO/Si02配比R=2.05精確稱量后配料。將配好的粉料放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中1250'C空氣氣氛中預(yù)燒3h,使原料粉末充分反應(yīng)。預(yù)燒粉料經(jīng)球磨、烘干和過篩處理，使得粉料粒度達(dá)到200^m,得到的硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備固含量大于50%的陶瓷槳料，在陶瓷漿料中加入按照硅酸鎂粉30wt。/。的比例的玉米淀粉和分散劑后球磨促進(jìn)漿料分散均勻，再將引發(fā)劑和催化劑加入漿料并均勻混合后快速注入模具，脫模后干燥的陶瓷坯體在空氣氣氛下無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1280。C，高溫保溫240min燒成，制得硅酸鎂多孔陶瓷。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表4。表4密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電(g/cm3)(%)CMPa)(W/m.k)常數(shù)損耗1.6244.1%12.250.393.580.0021實(shí)施例5稱MgO粉，先放在馬弗爐里在700'C下鍛燒4h，以排除C02和水分；再將Si02放在干燥箱里在12(TC烘干18h，以免因吸潮而帶來的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過后的原料按MgO/Si02配比R=2.05精確稱量后配料。將配好的粉料放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中115(TC空氣氣氛中預(yù)燒4h，使原料粉末充分反應(yīng)。預(yù)燒粉料經(jīng)球磨、烘干和過篩處理，使得粉料粒度達(dá)到20(Him，得到的硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備固含量大于50%的陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入按照硅酸鎂粉30wt。/。的比例的玉米淀粉和分散劑后球磨促進(jìn)漿料分散均勻，再將引發(fā)劑和催化劑加入漿料并均勻混合后快速注入模具，脫模后干燥的陶瓷坯體在空氣氣氛下無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為132(TC，高溫保溫180min燒成，制得硅酸鎂多孔陶瓷。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表5。表5密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電(g/cm3)(%)(MPa)(W/m-k)常數(shù)損耗1.4450.3%10.120.263.150.00349權(quán)利要求1.一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)取MgO原料鍛燒，以排除CO2和水分，將SiO2烘干；2)將氧化鎂和二氧化硅混合，球磨，得氧化鎂和二氧化硅混合粉料；3)將氧化鎂和二氧化硅混合粉料烘干，過篩，預(yù)燒，球磨，再烘干和再過篩，得硅酸鎂粉；4)將硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入玉米淀粉和分散劑后球磨，再加入催化劑和引發(fā)劑，混合后注入模具，得成型坯體；5)將成型坯體脫模后，燒結(jié)，得硅酸鎂多孔陶瓷。2.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述鍛燒的溫度為500800°C，鍛燒的時(shí)間為24h;所述烘干的溫度為80150°C，烘干的時(shí)間為24h。3.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述將氧化鎂和二氧化硅混合，按Mg/Si非化學(xué)計(jì)量比R=2.05。4.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述球磨的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200400rpm/min，球磨的時(shí)間為612h。5.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述過篩過60160目篩，所述預(yù)燒的溫度為10501250°C，預(yù)燒的時(shí)間為35h，所述再過篩過60160目篩。6.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述將硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備陶瓷漿料的陶瓷漿料的含固量按質(zhì)量百分比大于50%。7.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述在陶瓷漿料中加入玉米淀粉和分散劑，按質(zhì)量百分比，玉米淀粉的加入量為硅酸鎂粉5%30%，分散劑的加入量為硅酸鎂粉的0%5%。8.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述預(yù)混液為丙烯酰胺和N，N,-亞甲基雙丙烯酰胺，按質(zhì)量比，丙烯酰胺N,N,-亞甲基雙丙烯酰胺為524:1。9.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述分散劑為TH-904水性分散劑；所述引發(fā)劑為過硫酸銨水溶液，按質(zhì)量百分比，過硫酸銨水溶液的濃度為5%;所述催化劑為N，N,N，N，-四甲基乙二胺水溶液，按質(zhì)量百分比，N，N,N,N，-四甲基乙二胺水溶液的濃度為5%。10.如權(quán)利要求1所述的一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述燒結(jié)的溫度是在600'C以下升溫速率為12tVmin，然后以35°C/min的速率升至12801360°C，再保溫120240min。全文摘要一種硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法，涉及一種多孔陶瓷。提供一種氣孔率和強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱系數(shù)較低，方法簡(jiǎn)單易行、成本較低的硅酸鎂多孔陶瓷的制備方法。取MgO原料煅燒，以排除CO₂和水分，將SiO₂烘干；將氧化鎂和二氧化硅混合，球磨，得氧化鎂和二氧化硅混合粉料；將氧化鎂和二氧化硅混合粉料烘干，過篩，預(yù)燒，球磨，再烘干和再過篩，得硅酸鎂粉；將硅酸鎂粉與預(yù)混液混合制備陶瓷漿料，在陶瓷漿料中加入玉米淀粉和分散劑后球磨，再加入催化劑和引發(fā)劑，混合后注入模具，得成型坯體；將成型坯體脫模后，燒結(jié)，得硅酸鎂多孔陶瓷。文檔編號(hào)C04B38/00GK101591177SQ200910112038公開日2009年12月2日申請(qǐng)日期2009年6月19日優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日發(fā)明者周明勇,捷潘,熊兆賢,芬肖,昊薛,鄭建森申請(qǐng)人:廈門大學(xué)