本發明公開了一種泡沫陶瓷的制備方法，屬于多孔陶瓷材料制備技術領域。
背景技術：
泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫狀的多孔陶瓷，它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發展起來的第三代多孔陶瓷制品。這種高技術陶瓷具有三維連通孔道，同時因具有特殊的性能，如高比表面積、高滲透性、低容重、低熱導率等而日益引起各方面的重視。這些優異的性能使其在催化劑載體、熔融金屬過濾、高溫氣體過濾、耐火材料、生物材料等領域得到廣泛應用。
泡沫陶瓷材質由最初的普通粘土質發展到耐高溫、耐腐蝕、耐熱沖擊性材質（如碳化硅、氧化鋁、堇青石、鈦酸鋁、莫來石、鋰輝石等）。泡沫陶瓷材料的制備方法很多，其中應用比較成功的有：添加造孔劑方法、發泡方法、有機前驅體浸漬法及溶膠—凝膠方法等。
添加造孔劑方法是通過在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據一定的空間，然后經過燒結，造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫陶瓷，利用這種方法可以制得形狀復雜的泡沫陶瓷制品；發泡方法是在制備聚氨基甲酸乙酷泡沫塑料的原料中混入較多的陶瓷粉料（預先制備好），再加入發泡劑、催化劑及泡沫穩定劑等，充分攪拌均勻，使之發生發泡反應而獲得泡沫陶瓷坯體，這種方法可以制備形狀復雜的泡沫陶瓷制品，以滿足一些特殊場合的應用；溶膠—凝膠法是將泡沫陶瓷原料分散在溶劑中，然后經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠，再經過干燥和熱處理制得泡沫陶瓷，這種方法主要用來制備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料；有機前驅體浸潰法是指將處理好的有機前驅體（通常選用聚氨基甲酸乙醋泡沫塑料）浸人預先制備好的陶瓷漿料中，反復多次，排除氣體，使漿料充分浸潤有機前驅體，然后將多余漿料排除，并反復滾壓，以使漿料均勻附著在前驅體網狀結構中的網絲上，再經干燥燒結制成泡沫陶瓷，該方法通過控制漿料性能，優化無機粘結劑體系，嚴格控制漿料浸漬工藝過程，可以制備高性能的泡沫陶瓷制品。
雖然現有的泡沫陶瓷的制備工藝很多，也能制備出一些性能良好的泡沫陶瓷，但是現有的這些工藝制備的泡沫陶瓷材料也存在一些問題，主要是現有工藝制備的泡沫陶瓷普遍密度高、強度較低，且在制備過程中坯體還易發生塌陷，導致泡沫陶瓷使用受限。因此，如何制備具有低密度、高強度且成品率高的泡沫陶瓷是一個富有挑戰性意義的課題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：針對傳統泡沫陶瓷材料強度較低，密度較大，且制備過程中坯體易發生塌陷的問題，提供了一種泡沫陶瓷的制備方法。
為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
（1）稱取300～500g稻殼，于高壓蒸鍋中，保溫蒸煮后，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再經粉碎烘干，得干燥稻殼粉；
（2）依次稱取100～150g干燥稻殼粉，0.6～0.8g納米鐵粉，攪拌混合10～15min后轉入炭化爐，在氬氣保護狀態下保溫反應，待保溫反應結束，停止通入氬氣，在空氣氣氛條件下保溫氧化反應，待氧化反應結束后自然冷卻至室溫，并將氧化反應后的物料倒入300～400ml質量分數為3～5%氫氟酸溶液中，攪拌混合10～15min后，過濾、洗滌并干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須；
（3）依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長石，球磨后過篩，得燒結助劑粉末；
（4）按重量份數計，在混料機中依次加入100～150份質量分數為5～8%聚乙烯醇溶液，10～15份燒結助劑粉末，15～20份疏松碳化硅晶須，80～120份平均粒徑為60～80μm的氧化鋁粉，3～5份檸檬酸銨，2～4份乳化劑op-10，恒溫攪拌混合3～5h；
（5）待恒溫攪拌混合結束，將混料機中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30～40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4～6h，如此冷凍、解凍循環3～5次，并將最終解凍后的模具轉入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2～4h，脫模，得陶瓷生坯，再經燒結，即得泡沫陶瓷。
步驟（1）所述的保溫蒸煮條件為：蒸煮溫度為120～140℃，蒸煮時間為45～60min。
步驟（1）所述的保溫蒸煮前，還可以向高壓蒸鍋中加入10～15g氫氧化鈉。
步驟（2）所述的干燥稻殼粉中還可以添加0.3～0.5g氟化鈉。
步驟（2）所述的在氬氣保護狀態下保溫反應條件為：以10～15ml/min速率向爐內通入氬氣，在氬氣保護狀態下，以6～8℃/min速率程序升溫至550～600℃，保溫炭化2～4h，再以10～15℃/min速率程序升溫至1400～1500℃，保溫反應3～5h。
步驟（2）所述的在空氣氣氛中保溫氧化反應條件為：待炭化爐內溫度自然冷卻至700～750℃，再以10～15ml/min速率向上述炭化爐內通入空氣，保溫氧化反應2～4h后，自然冷卻至室溫。
步驟（3）所述的過篩條件為過325～500目篩。
步驟（4）所述的聚乙烯醇溶液中還可以添加聚乙烯醇溶液質量6～8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質量0.3～0.5%的戊二醛。
本發明的有益效果是：
（1）本發明首先以廉價易得的稻殼為硅源，在堿性條件下高壓蒸煮使稻殼纖維初步解纖，使稻殼結構疏松，利于與氟化鈉和納米鐵粉組成的催化劑充分接觸，隨后于較低溫度下使稻殼中有機質炭化，再配合納米鐵粉和氟化鈉的催化作用，在較高溫度條件下形成碳化硅晶須，利用在空氣氣氛條件下煅燒使未完全反應的炭化有機質得以去除，配合氫氟酸的浸泡，可去除未反應的二氧化硅，從而使碳化硅晶須得以純化，產品泡沫陶瓷中，因為有碳化硅晶須作為增強體的加入，從而可有效避免泡沫陶瓷在制備過程中坯體塌陷的問題；
（2）本發明通過乳化劑op-10的加入，在高速攪拌過程中，可使空氣以微小氣泡形式均勻分布于物料中，在冷凍過程中，部分水形成細小冰晶，再經真空冷凍干燥使冰晶升華排出，在陶瓷坯體中形成定向排布的孔隙結構，使產品密度降低，同時利用冷凍解凍循環，使聚乙烯醇、殼聚糖及戊二醛發生交聯固化，形成的三維網絡結構可進一步避免坯體結構塌陷，提高泡沫陶瓷產品的強度。
具體實施方式
首先稱取300～500g稻殼，10～15g氫氧化鈉，倒入盛有1000～1200ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為120～140℃條件下，保溫蒸煮45～60min，再將高壓蒸鍋中物料過濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉入冷凍粉碎機中粉碎10～20min，并將粉碎后的稻殼轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取100～150g所得干燥稻殼粉，0.3～0.5g氟化鈉，0.6～0.8g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合10～15min后，將坩堝轉入炭化爐，以10～15ml/min速率向爐內通入氬氣，在氬氣保護狀態下，以6～8℃/min速率程序升溫至550～600℃，保溫炭化2～4h，再以10～15℃/min速率程序升溫至1400～1500℃，保溫反應3～5h，待保溫反應結束，停止通入氬氣，并自然冷卻至700～750℃，再以10～15ml/min速率向炭化爐內通入空氣，保溫氧化反應2～4h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應后的物料倒入盛有300～400ml質量分數為3～5%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合10～15min后，將塑料燒杯中物料過濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24～36h，球磨后過325～500目篩，得燒結助劑粉末，再按重量份數計，在混料機中依次加入100～150份質量分數為5～8%聚乙烯醇溶液，10～15份所得燒結助劑粉末，15～20份疏松碳化硅晶須，80～120份平均粒徑為60～80μm的氧化鋁粉，3～5份檸檬酸銨，2～4份乳化劑op-10，聚乙烯醇溶液質量6～8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質量0.3～0.5%的戊二醛，于溫度為45～55℃，轉速為600～800r/min條件下，恒溫攪拌混合3～5h，待恒溫攪拌混合結束，將混料機中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30～40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4～6h，如此冷凍、解凍循環3～5次，并將最終解凍后的模具轉入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2～4h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉入燒結爐，于溫度為1450～1500℃條件下，燒結2～3h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。
實例1
首先稱取300g稻殼，倒入盛有1000ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為120℃條件下，保溫蒸煮45min，再將高壓蒸鍋中物料過濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉入冷凍粉碎機中粉碎10min，并將粉碎后的稻殼轉入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取100g所得干燥稻殼粉，0.6g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合10min后，將坩堝轉入炭化爐，以10ml/min速率向爐內通入氬氣，在氬氣保護狀態下，以6℃/min速率程序升溫至550℃，保溫炭化2h，再以10℃/min速率程序升溫至1400℃，保溫反應3h，待保溫反應結束，停止通入氬氣，并自然冷卻至700℃，再以10ml/min速率向炭化爐內通入空氣，保溫氧化反應2h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應后的物料倒入盛有300ml質量分數為3%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合10min后，將塑料燒杯中物料過濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取100g高嶺土，200g石英石，600g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為10：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24h，球磨后過325目篩，得燒結助劑粉末，再按重量份數計，在混料機中依次加入100份質量分數為5%聚乙烯醇溶液，10份所得燒結助劑粉末，15份疏松碳化硅晶須，80份平均粒徑為60μm的氧化鋁粉，3份檸檬酸銨和2份乳化劑op-10，于溫度為45℃，轉速為600r/min條件下，恒溫攪拌混合3h，待恒溫攪拌混合結束，將混料機中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4h，如此冷凍、解凍循環3次，并將最終解凍后的模具轉入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉入燒結爐，于溫度為1450℃條件下，燒結2h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。
實例2
首先稱取400g稻殼，倒入盛有1100ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為130℃條件下，保溫蒸煮53min，再將高壓蒸鍋中物料過濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉入冷凍粉碎機中粉碎15min，并將粉碎后的稻殼轉入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取125g所得干燥稻殼粉，0.7g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合13min后，將坩堝轉入炭化爐，以13ml/min速率向爐內通入氬氣，在氬氣保護狀態下，以7℃/min速率程序升溫至575℃，保溫炭化3h，再以13℃/min速率程序升溫至1450℃，保溫反應4h，待保溫反應結束，停止通入氬氣，并自然冷卻至725℃，再以13ml/min速率向炭化爐內通入空氣，保溫氧化反應3h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應后的物料倒入盛有350ml質量分數為4%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合13min后，將塑料燒杯中物料過濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取110g高嶺土，210g石英石，625g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為15：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理30h，球磨后過410目篩，得燒結助劑粉末，再按重量份數計，在混料機中依次加入125份質量分數為7%聚乙烯醇溶液，13份所得燒結助劑粉末，18份疏松碳化硅晶須，100份平均粒徑為70μm的氧化鋁粉，4份檸檬酸銨和3份乳化劑op-10，于溫度為50℃，轉速為700r/min條件下，恒溫攪拌混合4h，待恒溫攪拌混合結束，將混料機中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍35s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍56h，如此冷凍、解凍循環4次，并將最終解凍后的模具轉入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥3h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉入燒結爐，于溫度為1475℃條件下，燒結2h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。
實例3
首先稱取500g稻殼，15g氫氧化鈉，倒入盛有1200ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為140℃條件下，保溫蒸煮60min，再將高壓蒸鍋中物料過濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉入冷凍粉碎機中粉碎20min，并將粉碎后的稻殼轉入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取150g所得干燥稻殼粉，0.5g氟化鈉，0.8g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合15min后，將坩堝轉入炭化爐，以15ml/min速率向爐內通入氬氣，在氬氣保護狀態下，以8℃/min速率程序升溫至600℃，保溫炭化4h，再以15℃/min速率程序升溫至1500℃，保溫反應5h，待保溫反應結束，停止通入氬氣，并自然冷卻至750℃，再以15ml/min速率向炭化爐內通入空氣，保溫氧化反應4h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應后的物料倒入盛有400ml質量分數為5%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合15min后，將塑料燒杯中物料過濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取120g高嶺土，220g石英石，650g鉀長石，倒入球磨機中，按球料質量比為20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理36h，球磨后過500目篩，得燒結助劑粉末，再按重量份數計，在混料機中依次加入150份質量分數為8%聚乙烯醇溶液，15份所得燒結助劑粉末，20份疏松碳化硅晶須，120份平均粒徑為80μm的氧化鋁粉，5份檸檬酸銨，4份乳化劑op-10，聚乙烯醇溶液質量8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質量0.5%的戊二醛，于溫度為55℃，轉速為800r/min條件下，恒溫攪拌混合5h，待恒溫攪拌混合結束，將混料機中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍6h，如此冷凍、解凍循環5次，并將最終解凍后的模具轉入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥4h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉入燒結爐，于溫度為1500℃條件下，燒結3h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。
對實例1～3制得的泡沫陶瓷和市售不同材質（堇青石、氧化鋁）泡沫陶瓷進行性能測試，其檢測結果如下表：
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。