[發明專利]原位自生莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及制備方法

有效

• 申請號: 201110461794.8
• 申請日: 2011-12-24
• 公開（公告）號: CN102584313A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 徐國綱;崔洪芝;阮國智;張智慧;曾榮昌
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及多孔陶瓷材料領域，尤其涉及一種原位合成的莫來石晶須增強鈦酸鋁多孔陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

隨著國民經濟的發展、工業化進程加快，環境污染問題凸顯。大量工業三廢排放，尤其是工業高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒的排放已成為城市污染的罪魁禍首。因此，開展高溫煙氣過濾、催化技術的研究和開發，減少固體顆粒及有毒氣體的排放成為節能減排、環境保護工程中的重要一環。高溫過濾體材料除了需要具有耐高溫和耐腐蝕之外，還需要具有一定的孔隙度、強度和優良的抗熱震性。多孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學介質腐蝕等特點是作為高溫流體分離與凈化的最佳選擇。

鈦酸鋁(Al₂TiO₅)是目前已知低膨脹材料中耐高溫性能最好的陶瓷材料之一，它的熔點高(1860±10℃)、熱膨脹系數小(＜1.5×10^-6/℃)，具有較強的抗熱震能力、良好的耐蝕性、抗渣性、耐堿性和對多種金屬及玻璃不浸潤的性質，在許多領域已經得到廣泛應用，如作為高溫防腐蝕涂層、高溫抗氧化涂層以及高溫合金的熱障涂層的應用；作為耐火材料、結構材料在鋼鐵、金屬冶煉以及汽車工業等領域的應用。基于Al₂TiO₅的優良低膨脹性和高溫性能，其多孔陶瓷材料制品將是工業高溫煙氣以及機動車尾氣、固體顆粒過濾凈化用載體材料的理想選擇。但是由于鈦酸鋁存在燒結強度低，且在750～1300℃溫度內易分解，導致膨脹系數增大失去優良抗熱震性兩大致命缺陷，嚴重影響其實際應用。

在鈦酸鋁多孔陶瓷材料的應用方法，近年來人們也做了一些工作，通過氧化鐵、氧化鎂、氧化鋯。氧化鋁等粉體的摻雜，可以有效地抑制鈦酸鋁的分解，并且通過添加不同的造孔劑，制備了各種復合鈦酸鋁多孔陶瓷材料。但是現有的鈦酸鋁多孔陶瓷材料制備工藝復雜，且要額外加入造孔劑，由于造孔劑與原料粉體的比重差別較大，很難混合均勻，從而造成孔徑分布不均勻，且燒結強度低，影響了產品性能的均勻性及實際應用。有研究表明SiC晶須、氧化鋁纖維以及莫來石纖維可以有效提高鈦酸鋁復合材料的強度，但是由于SiC晶須、氧化鋁纖維或莫來石纖維多采用外加的方法，很難實現晶須或纖維在鈦酸鋁基體中均勻分散，從而降低了其增強效果及材料性能的均勻性。

與本發明相近的技術是，中國專利公開號CN101607830公開了一種纖維增強鈦酸鋁復合材料以及制品的制備方法，它直接以α-Al₂O₃和鈦黃粉為原料采用反應燒結法合成鈦酸鋁，并在配合料中加入防止鈦酸鋁分解的穩定劑和起增強作用的莫來石纖維，在球磨機中濕法球磨后真空注漿成型，干燥后燒成制得。這種復合材料雖然膨脹系數小，熱穩定性和化學穩定好；但存在以下缺陷：一是由于它的莫來石纖維是直接外加的，不是反應自生的，所以不利于纖維均勻分散；二是它屬于致密陶瓷燒結體，并不是鈦酸鋁多孔材料，無法滿足工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理用載體材料的要求。

發明內容

本發明目的是針對現有鈦酸鋁多孔陶瓷材料中孔徑分布不均，強度低的問題，提供一種原位合成自生莫來石晶須增強的鈦酸鋁多孔陶瓷材料，以滿足工業高溫煙氣過濾及機動車尾氣凈化處理用載體材料的要求。

本發明同時提供一種這種材料的制備方法。

為達到上述目的，本發明的多孔陶瓷材料是在鈦酸鋁基體材料中均勻穿插有原位合成的自生莫來石晶須增強相，莫來石在體系中的質量百分比為10～40％，自生莫來石晶須的長度為5～20μm；這種多孔陶瓷材料的空隙率為37～60％，抗壓強度10MPa～48MPa。

本發明的多孔陶瓷材料進一步講，是以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與二氧化鈦和穩定劑通過一步合成法直接反應合成的鈦酸鋁作為基體材料，以由擬薄水鋁石或α-氧化鋁與硅微粉以及氟化鋁通過原位反應合成的莫來石晶須作為增強相。

上述各組分的重量百分比為：α-氧化鋁6～24％，擬薄水鋁石38～54％，二氧化鈦23～32％，硅微粉2～10％，氟化鋁2～3％，穩定劑3％，所述的穩定劑由氧化鎂和氧化鐵復合組成，氧化鎂與氧化鐵能夠與鈦酸鋁形成穩定的固溶體，起到抑制鈦酸鋁分解的作用。

優選地，所述穩定劑中氧化鐵的重量百分比為20～50％，氧化鎂的重量百分比為50-80％。

上述各原料純度以重量百分比計為：α-氧化鋁≥99％，二氧化鈦≥98％，硅微粉≥97％，氟化鋁≥98％，氧化鎂≥99％，氧化鐵≥99％。