[發明專利]一種具有微米級孔隙的氧化鋁陶瓷材料

在審

• 申請號: 201510081922.4
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN104671753A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 席紅安;邵俊軒;盧慶賢
• 申請（專利權）人: 佛山市中國科學院上海硅酸鹽研究所陶瓷研發中心
• 主分類號: C04B35/10
• 分類號: C04B35/10
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟;楊晞

技術領域

本發明涉及無機非金屬材料領域，特別涉及具有微米級孔隙的氧化鋁陶瓷材料。

背景技術

氧化鋁陶瓷具有機械強度高、硬度大、耐高溫、絕緣強度高和耐腐蝕等優異性能，因此被廣泛應用于工業和生活的諸多領域。

純氧化鋁粉體大約在1750℃開始蠕變和燒結。如此高的燒結溫度，會帶來很多實際問題，例如窯爐耐火材料的使用壽命縮短，能源消耗過多，以及材料燒成性能不良等等。解決問題的途徑之一就是降低氧化鋁的燒成溫度，改善燒成工藝。

以氧化錳、氧化銅和二氧化鈦等氧化物組成的復合助劑，對氧化鋁陶瓷表現出良好的低溫燒結特性。例如，氧化錳–二氧化鈦復合助劑可以使氧化鋁在1250℃實現致密燒結；氧化銅–二氧化鈦復合助劑，在合適的組成比例下，也可以使氧化鋁的燒結溫度降低至1250℃以下。

氧化銅和二氧化鈦的混合物在915℃左右生成低共熔物。其中二氧化鈦可以與氧化鋁發生固相反應，使氧化鋁實現燒結；而氧化銅主要起助熔作用，使二氧化鈦原子容易遷移到氧化鋁顆粒表面，并與氧化鋁發生反應。單獨的二氧化鈦對氧化鋁的助燒效果并不顯著，單獨的氧化銅則對氧化鋁沒有助燒效果。

原則上用于氧化鋁致密燒成的助劑也可以用于氧化鋁多孔陶瓷的燒成。不過，多孔陶瓷往往應用于一些特別的應用領域，對其耐化學腐蝕性和耐磨性等性能有較高的要求。而多孔結構具有較大的比表面積，使燒成助劑及其與氧化鋁的反應產物大面積地暴露于應用的環境介質中。因此，對燒成助劑及其與氧化鋁的反應產物也必然要求具有相應的性能，以滿足應用的要求。而通常的硅酸鹽類礦物或玻璃助劑耐化學腐蝕性較差，不適合于性能要求較高的應用領域。

自從二十世紀八十年代以來，陶瓷分離膜在食品、化工、醫藥和水處理等工業領域得到了廣泛應用。陶瓷分離膜一般由支撐體和膜層兩部分組成。膜層是起篩分作用的金屬氧化物多孔薄膜，其孔徑細小均勻。支撐體是高開口氣孔率的多孔陶瓷，其孔徑大于膜層，并具有較高的強度，使膜層保持機械穩定。陶瓷分離膜之所以得到廣泛的應用，是因為具有機械強度高、耐高溫、耐化學腐蝕和耐磨損等優良性能。但是陶瓷分離膜的應用推廣也受到一些制約，主要因為與有機分離膜相比，其價格高、通量較低。

采用廉價原料和降低燒成溫度是減少多孔陶瓷生產成本的主要途徑。對于性能要求不高的應用領域，值得推薦的是采用價格相對低廉的硅酸鹽類礦物原料制備多孔陶瓷支撐體。但是對于性能要求較高的應用領域，尤其是對耐化學腐蝕要求較高的領域，還是得采用氧化鋁等價格較高的原料制備多孔陶瓷支撐體。在這種情況下，降低支撐體的燒成溫度就成為降低生產成本的主要途徑。

影響陶瓷分離膜通量的主要因素在于支撐體的多孔結構。高開口氣孔率和大孔徑的多孔結構有利于分離膜通量的提高。制備高開口氣孔率和大孔徑的多孔陶瓷需要以粒徑較大的粉體為原料。然而粉體粒徑越大，其燒結活性就越低。相應地需要更高的溫度才能燒成多孔陶瓷。因此，對于像氧化鋁這類高溫燒成的多孔陶瓷來說，降低燒成溫度從經濟效益等方面來說具有重要的意義。

氧化鋁陶瓷分離膜支撐體的燒成，一般可以借鑒氧化鋁致密燒成的方法。雖然氧化鋁致密化的燒成助劑都可以用于氧化鋁陶瓷分離膜支撐體的燒成，但是考慮到后者對耐化學腐蝕性和耐沖蝕性的特殊要求，因此燒成助劑的選擇也應該考慮這些特殊的性能要求。

因此，在制備氧化鋁多孔陶瓷的生產工藝中，在滿足耐化學腐蝕和耐沖蝕性等特殊性能要求的前提下，如何降低氧化鋁多孔陶瓷的燒成溫度，從而降低其生產成本，達到擴大氧化鋁多孔，特別是陶瓷分離膜應用范圍的目的是亟待解決的問題。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出了具有微米級孔隙的氧化鋁陶瓷材料，這種陶瓷材料具有很好的強度和耐腐蝕性能。

本發明采用以下技術方案：

一種具有微米級孔隙的氧化鋁陶瓷材料，其是由包括鋁、鈦、銅、鈣四種元素構成的固熔體；所述氧化鋁陶瓷材料中氧化鋁的質量百分數不小于803％；所述鈦、銅、鈣三種元素的摩爾比為：鈣元素0.5～30％，銅元素0.5％～30％，鈦元素40～99％。

優選的，所述氧化鋁陶瓷材料的微孔平均尺寸不小于0.05μm。

進一步，所述氧化鋁陶瓷材料的微孔平均尺寸為0.05～20μm。

優選的，所述氧化鋁陶瓷材料的開孔氣孔率為20％～70％。

優選的，所述鈦、銅、鈣三種元素的摩爾比為：鈣元素1～15％，銅元素1％～15％，鈦元素70～98％。

本發明的有益效果在于：