專利名稱：一種制備氣孔梯度陶瓷的方法
技術領域：
本發明涉及一種氣孔梯度陶瓷的制備工藝，屬于陶瓷材料技術領域。
背景技術：
氣孔梯度陶瓷是指氣孔率或者孔徑隨試樣尺寸作梯度分布的陶瓷。氣孔梯度陶瓷主要的應用領域包括耐火保溫材料、建筑保溫材料、發動機燃燒室、陶瓷分離膜、生物材料等。目前，氣孔梯度陶瓷的制備方法有離心噴涂、泡沫浸漬、注凝成型、電化學沉積成型等工藝。但是由于上述制備工藝復雜，一般需要特殊的設備和手段才能實現，同時產率較低，很難滿足工業化規模生產的需要。
淀粉是由葡萄糖組成的多糖，可以分離成鏈淀粉和支淀粉兩個部分，其中前者具有直鏈結構，后者具有支叉結構，淀粉顆粒在大約50℃以下都不溶于水，但是，當淀粉懸浮液加熱到55～90℃之間，保持顆粒結合在一起的分子間作用力就會減弱，此時顆粒由于吸水而發生快速的不可逆膨脹，導致顆粒尺寸比初期大許多倍，顆粒發生互相接觸，變成半透明粘稠狀液體，這種現象稱為“糊化”。淀粉的糊化是在一定的溫度下，水分子破壞淀粉結構中的氫鍵，使淀粉鏈部分展開的結果。利用淀粉糊化的增稠和粘結作用，使料漿中的陶瓷粉體顆粒在原位固定，可以實現陶瓷材料的凈尺寸成型，所制備的陶瓷材料坯體強度一般在2～4MPa。
同時，當淀粉加熱到200～550℃時，淀粉顆粒會發生氧化分解而在試樣中留下同樣大小的孔隙。因而利用淀粉的這兩種特性可以原位制備多孔陶瓷。
目前，利用淀粉原位成型制備氣孔梯度陶瓷國內外未見報道。
發明內容
本發明針對氣孔梯度陶瓷的特性，根據淀粉原位固化制備多孔陶瓷的特點創新的提出一種氣孔梯度陶瓷的制備工藝。材料中形成氣孔率梯度的原理在于首先在坯體中引入淀粉含量的梯度分布，坯體經過高溫淀粉排出后試樣氣孔率具有和淀粉含量同樣的分布。不同種類的淀粉具有不同的粒徑，據此利用不同種類的淀粉實現原位固化，則坯體中存在淀粉粒徑的梯度分布，高溫淀粉排出后試樣則具有氣孔孔徑的梯度分布。
本發明提出的一種制備氣孔梯度陶瓷的方法，其特征在于所述方法包括以下各步驟(1)首先在陶瓷粉體和分散劑中加入去離子水，利用球磨方法制備漿料，同時在固化有機物中加入去離子水，利用超聲分散或球磨方法制備漿料，所述兩種漿料分別置于獨立的儲料罐中，在儲料罐漿料出口處設置閥門控制漿料流速；(2)將上述兩種漿料在真空靜態混合器中快速混合，同時脫氣處理；
(3)將混合后的漿料連續澆注進設計好的模具中；(4)將澆注完畢的模具移入55℃～90℃的恒溫烘箱內，保溫30分鐘～5小時，保溫時模具密封；(5)待漿料固化后連同模具置于室溫至60℃恒溫烘箱中靜置12～48小時，之后脫模置于80℃～110℃烘箱中繼續干燥12～48小時，干燥后坯體強度在2～4MPa之間；(6)將干燥后的坯體首先在200～550℃保溫脫去淀粉，該過程中升溫速率小于30℃/h，繼續在高溫燒結爐中1000～2000℃燒結得到成品。
在上述制備方法中，步驟1所述陶瓷粉體為氧化鋁粉、SiC粉或Si3N4粉中的任何一種。
在上述制備方法中，步驟1所述分散劑為檸檬酸銨、四甲基氫氧化銨或阿拉伯樹膠。
在上述制備方法中，步驟1所述固化有機物為淀粉、改性淀粉以及其它具有原位可控固化性質的有機物中的任何一種或幾種。
在上述制備方法中，所述固化有機物為馬鈴薯淀粉、玉米淀粉或小麥淀粉。
在上述制備方法中，步驟1所述陶瓷粉體與去離子水體積比為40∶10～60；分散劑與固相質量比為0.1～5∶100；固化有機物與去離子水體積比為40∶10～60。
由于本發明根據材料的設計要求，適時控制兩種漿料的流速，可以制備具有氣孔率梯度的陶瓷；利用不同種類淀粉粒徑不同，適時控制淀粉漿料的種類，可以制備具有氣孔孔徑梯度陶瓷。漿料經過真空靜態混合器中快速混合注入所設計的模具，之后將模具置于55～90℃的恒溫烘箱中固化成型，脫模后的坯體具有淀粉含量梯度分布或者淀粉粒徑梯度分布，坯體經過干燥、淀粉脫除和燒結，制得的氣孔梯度陶瓷材料性能良好。利用本工藝制備氣孔梯度陶瓷易操作、自動化程度高、容易實現工業化連續生產；同時，本工藝具有可靠、衛生、經濟、環境相容性良好、對人體無毒害等特點；另外利用本工藝所制備的氣孔梯度陶瓷氣孔率和氣孔大小容易控制，因此是一種頗具前景的制備方法。
圖1為本發明的氣孔率梯度分布試樣的制備原理示意圖。
圖2為本發明氣孔孔徑梯度分布試樣的制備原理示意圖。
圖3為本發明的工藝流程示意圖。1-陶瓷漿料儲料罐，2-淀粉漿料儲料罐，3-真空靜態混合器，4-模具。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明本發明根據材料設計要求，適時控制漿料流出速度或控制淀粉漿料的種類。控制漿料的流速可以控制成型后坯體各部位淀粉的含量，即控制最終試樣的氣孔率梯度分布，不同類型的淀粉具有不同的尺寸分布，因而控制漿料中淀粉的種類即可以控制最終試樣中孔徑梯度分布；在本工藝中，可以分時間段控制各種漿料流出速度淀粉漿料的種類，經過真空快速混合制備非連續的氣孔梯度陶瓷以及氣孔均勻的多孔陶瓷。
試驗證明可以達到預期目的實施例1利用196g氧化鋁粉，加入60ml去離子水，0.2g檸檬酸銨作為分散劑，球磨混合24h制備流動性良好的漿料；利用60g馬鈴薯淀粉，加入60ml去離子水，經過超聲分散制備成流動性良好的漿料；兩種漿料分別置于兩個儲料罐中，適時控制兩種漿料的流速，漿料經過真空靜態混合器中快速混合，注入直徑為50mm的玻璃模具中，將模具密封置于55℃恒溫烘箱中30分鐘，漿料固化后連同模具密封置于室溫48小時之后脫模，脫模后置于80℃烘箱中干燥48小時，得到淀粉含量從10％過渡到40％的坯體；經過200～550℃保溫脫除淀粉，1450℃空氣氣氛中保溫兩小時燒結，可以制備氣孔率從12％連續過渡到45％的試樣。
實施例2利用120gSiC粉，加入25ml去離子水和2g四甲基氫氧化銨做分散劑，球磨混合48h制備流動性良好的漿料；利用90g玉米淀粉，加入40ml去離子水，經過超聲分散制備成流動性良好的漿料，兩種漿料分別置于兩個儲料罐中，適時控制兩種漿料的流速，漿料經過真空靜態混合器中快速混合，注入尺寸為30mm×20mm×10mm的鋼模中，將模具密封置于75℃恒溫烘箱中兩小時，漿料固化后連同模具密封置于40℃恒溫烘箱中干燥24小時之后脫模，脫模后置于100℃烘箱中干燥24小時，可以制備淀粉含量從5％過渡到30％的坯體；經過200～550℃保溫脫除淀粉，1850℃真空氣氛中保溫兩小時燒結，可以制備氣孔率從8％連續過渡到40％的試樣。
實施例3利用200gSi3N4粉，加入16ml去離子水和16g阿拉伯樹膠做分散劑，球磨混合36h制備流動性良好的漿料；利用120g小麥淀粉，加入20ml去離子水，經過球磨制備成流動性良好的漿料，兩種漿料分別置于兩個儲料罐中，適時控制兩種漿料的流速，漿料經過真空靜態混合器中快速混合，注入尺寸為30mm×20mm×10mm的鋼模中，將模具密封置于90℃恒溫烘箱中五小時，漿料固化后連同模具密封置于60℃恒溫烘箱中干燥12小時之后脫模，脫模后置于110℃烘箱中干燥12小時，可以制備淀粉含量從5％過渡到30％的坯體；經過200～550℃保溫脫除淀粉，1800℃氮氣氣氛中保溫兩小時燒結，可以制備氣孔率從8％連續過渡到40％的試樣。
權利要求
1.一種制備氣孔梯度陶瓷的方法，其特征在于所述方法包括以下各步驟(1)首先在陶瓷粉體和分散劑中加入去離子水，利用球磨方法制備漿料，同時在固化有機物中加入去離子水，利用超聲分散或球磨方法制備漿料，所述兩種漿料分別置于獨立的儲料罐中，在儲料罐漿料出口處設置閥門控制漿料流速；(2)將上述兩種漿料在真空靜態混合器中快速混合，同時脫氣處理；(3)將混合后的漿料連續澆注進設計好的模具中；(4)將澆注完畢的模具移入55℃～90℃的恒溫烘箱內，保溫30分鐘～5小時，保溫時模具密封；(5)待漿料固化后連同模具置于室溫至60℃恒溫烘箱中靜置12～48小時，之后脫模置于80℃～110℃烘箱中繼續干燥12～48小時，干燥后坯體強度在2～4MPa之間；(6)將干燥后的坯體首先在200～550℃保溫脫去淀粉，該過程中升溫速率小于30℃/h，繼續在高溫燒結爐中1000～2000℃燒結得到成品。
2.按照權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟1所述陶瓷粉體為氧化鋁粉、SiC粉或Si3N4粉中的任何一種。
3.按照權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟1所述分散劑為檸檬酸銨、四甲基氫氧化銨或阿拉伯樹膠。
4.按照權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟1所述固化有機物為淀粉、改性淀粉以及其它具有原位可控固化性質的有機物中的任何一種或幾種。
5.按照權利要求1或4所述的制備方法，其特征在于所述固化有機物為馬鈴薯淀粉、玉米淀粉或小麥淀粉。
6.按照權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟1所述陶瓷粉體與去離子水體積比為40∶10～60；分散劑與固相質量比為0.1～5∶100；固化有機物與去離子水體積比為40∶10～60。
全文摘要
本發明涉及一種制備氣孔梯度陶瓷的方法，屬于陶瓷材料制造技術。其特征在于首先在陶瓷粉體和分散劑中加入去離子水，利用球磨方法制備漿料，同時在固化有機物中加入去離子水，利用超聲分散或球磨方法制備漿料；漿料經過真空靜態混合器中快速混合注入所設計的模具，經固化成型、干燥、燒結，制得性能良好的氣孔梯度陶瓷材料。本制備方法中所述陶瓷粉體為氧化鋁粉、SiC粉或Si
文檔編號C04B33/00GK1830902SQ20061001155
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者黃勇, 戚建強, 歐陽世翕 申請人:清華大學