本發(fā)明涉及堇青石蜂窩陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種堇青石蜂窩陶瓷及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

堇青石由于熱膨脹系數(shù)低，耐腐蝕性能強和抗熱震性，以及一定的機械強度，因而廣泛用作窯具、電子器件和微電子封裝材料；此外，由于其具有良好的吸附性能，與各種催化劑活性組分的匹配性良好，，可用于制備多孔材料如蜂窩陶瓷等。堇青石陶瓷(2mgo·2al2o3·5sio2)材料可應(yīng)用于機械、建筑、航空航天、化工、交通工具等領(lǐng)域。

現(xiàn)有技術(shù)制備堇青石陶瓷的工藝為：將mgo、al2o3和sio2，按照一定的化學(xué)計量比進(jìn)行配料，添加粘結(jié)劑，再經(jīng)過球磨，干燥，注塑成型，在1350℃～1400℃燒結(jié)成型，得到堇青石陶瓷。該注塑成型方法采用擠壓模具本身的蜂窩設(shè)計來制備蜂窩孔。該方法的缺陷是陶瓷壁厚較大，孔隙尺寸的減小以及比表面積的提升受很大限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種堇青石蜂窩陶瓷增材制造方法及其應(yīng)用，該方法堇青石蜂窩陶瓷具有規(guī)則的孔隙形狀，尺寸以及分布，且比表面積較大。

本發(fā)明提供了一種堇青石蜂窩陶瓷，由以下制備方法制得：

a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；

b)、采用激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層；

c)、在所述截面層上再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

e)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)，得到堇青石蜂窩陶瓷。

優(yōu)選地，所述步驟a)中mg-al-si合金粉體顆粒中al的質(zhì)量含量大于等于20％且小于50％。

優(yōu)選地，mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料的孔壁厚度為50.8μm，比表面積為69.43cm²/cm³。

優(yōu)選地，所述步驟b)中激光束的功率為100～1000w。

優(yōu)選地，所述步驟b)中激光束的光斑直徑為5～150μm；激光束的能量密度為20～300w/cm²。

優(yōu)選地，所述步驟b)中掃描的間距為0.005～0.1mm；掃描的速度為100～1500mm/s。

優(yōu)選地，所述步驟c)中燒結(jié)的溫度為400～900℃。

優(yōu)選地，所述步驟c)中mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)具體包括：

將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中，以5℃/min升溫至450～650℃，保溫，得到堇青石蜂窩陶瓷。

優(yōu)選地，所述保溫的時間為1～8h。

本發(fā)明提供了一種上述技術(shù)方案所述堇青石蜂窩陶瓷在觸媒轉(zhuǎn)化器中的應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種堇青石蜂窩陶瓷，由以下制備方法制得：a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；b)、采用激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層；c)、在所述截面層上再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)，得到堇青石蜂窩陶瓷。本發(fā)明將mg-al-si合金粉體顆粒按照預(yù)設(shè)的蜂窩結(jié)構(gòu)的孔隙形狀、尺寸以及分布，采用激光選區(qū)熔化3d打印法和氧化相結(jié)合的工藝，得到具有規(guī)則立體孔隙通道分布的堇青石蜂窩陶瓷。該堇青石蜂窩陶瓷的制備方法可自由設(shè)計蜂窩幾何形狀、尺寸和分布，實現(xiàn)更大的比表面積，力求達(dá)到與尾氣接觸面積的最大化。另外，該堇青石陶瓷還具有優(yōu)異的高溫性能、耐腐蝕性和耐壓強度。實驗結(jié)果表明：該堇青石陶瓷的比表面積可達(dá)到69.43cm²/cm³。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例3制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種堇青石蜂窩陶瓷，由以下制備方法制得：

a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；

b)、采用激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層；

c)、在所述截面層上再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)，得到堇青石蜂窩陶瓷。

本發(fā)明將mg-al-si合金粉體顆粒按照預(yù)設(shè)的蜂窩結(jié)構(gòu)的孔隙形狀、尺寸以及分布，采用激光選區(qū)熔化3d打印法和氧化相結(jié)合的工藝，得到具有規(guī)則立體孔隙通道分布的堇青石蜂窩陶瓷。該堇青石蜂窩陶瓷的制備方法可自由設(shè)計蜂窩幾何形狀、尺寸和分布，實現(xiàn)更大的比表面積，力求達(dá)到與尾氣接觸面積的最大化。

本發(fā)明將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層。在本發(fā)明中，所述mg-al-si合金粉末顆粒優(yōu)選為球形或類球形；所述mg-al-si合金粉末顆粒的粒度優(yōu)選為5～50微米。本發(fā)明優(yōu)選采用霧化造粒的方法制備合金粉體顆粒。所述mg-al-si合金粉體顆粒的制備方法優(yōu)選包括：將鎂、鋁和硅混合熔化，霧化造粒，得到mg-al-si合金粉體顆粒。在本發(fā)明中，所述mg-al-si合金粉體顆粒中al的質(zhì)量含量優(yōu)選大于等于20％且小于50％。

得到當(dāng)前層后，采用激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層。在本發(fā)明中，所述蜂窩結(jié)構(gòu)截面輪廓中的蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)選為矩形、三角形、六角形或圓形。在本發(fā)明中，所述激光束的功率優(yōu)選為100～1000w，更優(yōu)選為280～320w，最優(yōu)選為290～310w。在本發(fā)明的具體實施例中，所述激光束的功率為300w。所述掃描的間距優(yōu)選為0.005～0.1mm，更優(yōu)選為0.055～0.065mm，最優(yōu)選為0.06mm；所述掃描的速度優(yōu)選為100～1500mm/s，更優(yōu)選為900～1300mm/s，最優(yōu)選為1000～1200mm/s。所述激光束的光斑直徑優(yōu)選為5～150μm，更優(yōu)選為10～90μm；所述激光束的能量密度優(yōu)選為20～300w/cm²。

得到截面層后，本發(fā)明在所述截面層再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料。

在本發(fā)明中，蜂窩結(jié)構(gòu)材料中的每平方英寸蜂窩孔數(shù)為200～2400。所述蜂窩結(jié)構(gòu)材料的蜂窩結(jié)構(gòu)的孔壁厚度可以達(dá)到20～200微米；優(yōu)選小于等于30微米。本發(fā)明蜂窩結(jié)構(gòu)材料的孔隙形狀，尺寸以及分布可以通過普通結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行靈活優(yōu)化。

得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料后，本發(fā)明將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)，利用氧化反應(yīng)得到堇青石蜂窩陶瓷。在本發(fā)明中，所述燒結(jié)的溫度優(yōu)選為400～900℃。

在本發(fā)明中，所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)優(yōu)選具體包括：

將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中，以5℃/min升溫至400～550℃，保溫，得到堇青石蜂窩陶瓷。

在本發(fā)明中，所述保溫的時間優(yōu)選為1～8h。

本發(fā)明提供的堇青石陶瓷的蜂窩幾何形狀、尺寸可以自由設(shè)計，力求達(dá)到與尾氣的接觸面積、轉(zhuǎn)化效率的最優(yōu)化。

本發(fā)明采用激光選區(qū)熔化3d打印法制備mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料，燒結(jié)時間短、冷卻速度快，能夠防止mg-al-si顆粒長大，得到晶粒粒度為納米級的堇青石陶瓷。本發(fā)明通過采用特殊的原材料顆粒并結(jié)合特定的燒結(jié)工藝使制備得到的mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料有良好的機械強度、良好的比表面積、耐高溫性能以及較低的熱膨脹系數(shù)。

本發(fā)明提供了一種上述技術(shù)方案所述堇青石蜂窩陶瓷在觸媒轉(zhuǎn)化器中的應(yīng)用。本發(fā)明提供的堇青石陶瓷在汽車尾氣凈化器中作為觸媒轉(zhuǎn)化器負(fù)責(zé)將尾氣中的有害氣體hc、co、nox分別轉(zhuǎn)化為無害的h2o、co2、n2。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的一種堇青石蜂窩陶瓷及其應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)地描述，但不能將它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。

實施例1

將質(zhì)量比為16：37：47的鎂、鋁和硅混合，霧化造粒，得到粒度為10～20微米的球形或近球形的mg-al-si合金粉體顆粒；

a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；

b)、采用功率為375w的光斑直徑為10μm的激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，所述蜂窩結(jié)構(gòu)截面輪廓中的蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀為方形，掃描的速度為800mm/s，掃描的間距為0.02mm，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層，截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1為本發(fā)明實施例1制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；

c)、在所述截面層再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒，多次重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中以5℃/min升溫至500℃,保溫2.5h，得到堇青石蜂窩陶瓷。

本發(fā)明對實施例1制備的堇青石蜂窩陶瓷的性能參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1，表1為本發(fā)明實施例1～3制備的堇青石蜂窩陶瓷的性能參數(shù)：

表1本發(fā)明實施例1～3制備的堇青石蜂窩陶瓷的性能參數(shù)

本發(fā)明實施例1制備的堇青石蜂窩陶瓷在汽車尾氣凈化器中作為觸媒轉(zhuǎn)化器負(fù)責(zé)將尾氣中的有害氣體hc、co、nox分別轉(zhuǎn)化為無害的h2o、co2、n2。

實施例2

將質(zhì)量比為16：37：47的鎂、鋁和硅混合，霧化造粒，得到粒度為20～30微米的球形或近球形的mg-al-si合金粉體顆粒；

a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；

b)、采用功率為375w的光斑直徑為20μm的激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，所述蜂窩結(jié)構(gòu)截面輪廓中的蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀為方形，掃描的速度為800mm/s，掃描的間距為0.01mm，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層，截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2為本發(fā)明實施例2制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；

c)、在所述截面層再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒，多次重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中以5℃/min升溫至500℃，保溫2.5h，得到堇青石蜂窩陶瓷。

本發(fā)明對實施例2制備的堇青石蜂窩陶瓷的性能參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

本發(fā)明實施例2制備的堇青石蜂窩陶瓷在汽車尾氣凈化器中作為觸媒轉(zhuǎn)化器負(fù)責(zé)將尾氣中的有害氣體hc、co、nox)轉(zhuǎn)化為無害的h2o、co2、n2。

實施例3

將質(zhì)量比為16：37：47的鎂、鋁和硅混合，熔融霧化造粒，得到粒度為30～40微米的球形或近球形的mg-al-si合金粉體顆粒；

a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，得到當(dāng)前層；

b)、采用功率為375w的光斑直徑為30μm的激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，所述蜂窩結(jié)構(gòu)截面輪廓中的蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀為方形，掃描的速度為800mm/s，掃描的間距為0.02mm，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層，截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3為本發(fā)明實施例3制備的截面層的蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；

c)、在所述截面層再次平鋪mg-al-si合金粉體，多次重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；

d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中以5℃/min升溫至500℃,保溫2.5h，得到堇青石蜂窩陶瓷。

本發(fā)明對實施例3制備的堇青石蜂窩陶瓷的性能參數(shù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

本發(fā)明實施例3制備的堇青石蜂窩陶瓷在汽車尾氣凈化器中作為觸媒轉(zhuǎn)化器負(fù)責(zé)將尾氣中的有害氣體(hc、co、nox)轉(zhuǎn)化為無害的h2o、co2、n2。

由以上實施例可知，本發(fā)明提供了一種堇青石蜂窩陶瓷，由以下制備方法制得：a)、將mg-al-si合金粉體顆粒平鋪，加熱，得到當(dāng)前層；b)、采用激光束將所述當(dāng)前層按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使得當(dāng)前層燒結(jié)，得到截面層；c)、將所述截面層再次平鋪mg-al-si合金粉體顆粒重復(fù)步驟a)和步驟b)，得到mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料；d)、將所述mg-al-si蜂窩結(jié)構(gòu)材料在空氣中燒結(jié)，得到堇青石蜂窩陶瓷。本發(fā)明將mg-al-si合金粉體顆粒按照預(yù)設(shè)的蜂窩結(jié)構(gòu)的孔隙形狀、尺寸以及分布，采用激光選區(qū)熔化3d打印法和氧化相結(jié)合的工藝，得到具有規(guī)則立體孔隙通道分布的堇青石蜂窩陶瓷。該堇青石蜂窩陶瓷的制備方法可自由設(shè)計蜂窩幾何形狀、尺寸和分布，實現(xiàn)更大的比表面積，力求達(dá)到與尾氣接觸面積的最大化。另外，該堇青石陶瓷還具有優(yōu)異的高溫性能、耐腐蝕性和耐壓強度。實驗結(jié)果表明：該堇青石陶瓷的比表面積可達(dá)到69.43cm²/cm³。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。