一種氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于泡沫陶瓷技術領域，具體涉及一種氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]泡沫陶瓷是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發展起來的第三代多孔陶瓷制品。根據氣孔在其中的排列方式可以將其分為開孔(網狀)及閉孔泡沫陶瓷。泡沫陶瓷除了具有耐高溫、耐腐蝕等傳統陶瓷所具有的優異性能外，同時還具有其獨特的優異性能，如低密度、高氣孔率、比表面積大等。泡沫陶瓷的材料種類多樣，不同的使用領域對其性能要求也不同，因此也開發出不同的制備技術。
[0003]Schwartzwalder等在1963年第一次提出有機泡沫浸漬工藝，該法是將制備好的陶瓷料漿均勻地涂覆在具有開孔三維網狀骨架的有機泡沫體上，干燥后燒掉有機泡沫體并使陶瓷體致密，從而獲得具有很高氣孔率的泡沫陶瓷。專利號為CN 104193396A公開了一種采用聚氨酯海綿浸漬漿料制備泡沫陶瓷的方法。采用這種方法制備的泡沫陶瓷為開孔結構，強度不高，主要應用于熔融金屬過濾器、消音材料等領域，無法作為高溫結構材料使用。
[0004]專利號CN102515820A公開了一種采用凝膠注模法制備莫來石泡沫陶瓷的方式，通過制備低粘度、高固相體積分數的濃懸浮體，并使有機單體聚合形成三維網絡結構，從而獲得高強度、均勻性好的坯體。由于其使用了具有神經毒性的單體-丙烯酰胺，其工業應用便一定程度地受到了限制。在制備過程中由于氧阻聚現象比較嚴重，干燥后的坯體與空氣接觸的部位會出現1mm左右的松散層，即所謂“起皮”現象。因此防止表面起皮，保證表面質量，需氮氣保護，使制備工藝復雜。此外，在已發表的論文“叔丁醇基凝膠注模成型制備氧化鋁多孔陶瓷”中，采用低表面張力的叔丁醇-水作凝膠注模成形的溶劑。但有機溶劑的揮發會對生產環境產生危害。
[0005]專利號CN 104311118A公開了一種采用冷凍干燥法制備泡沫陶瓷的方式，將一定含水量的漿料在低溫下冷凍，使濕坯體中的水結冰，控制晶體冰單向生長，然后減壓干燥處理，使冰升華而留下孔隙，坯體中形成定向排布的孔結構，最后經燒結得到多孔陶瓷。其中干燥設備昂貴，且生產效率低、成本高。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種氧化鋯纖維增強的氧化鋁基閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，制備得到的泡沫陶瓷性能穩定，熱導率低、強度高。
[0007]為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是:一種氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，其使用溫度< 1700°C，抗壓強度為lOMPa?13MPa，加熱永久線收縮(1600°CX 24h)〈1.5%，1000°C熱面導熱系數為0.30-0.50ff/m.K，體積密度為1.0?1.3g/cm3，氣孔率為70?80%;其化學組成中Α?2θ3含量? 75wt%，Zr02含量< 20wt%;泡沫陶瓷的主晶相為基體的α-Α?2θ3和增強體的C-Z02。
[0008]一種氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷及其制備方法，包括以下步驟:
(1)制備濃懸浮體漿料
按重量配比，取C-Zr02短纖維10?15wt%，a-Al203粉體50?60wt%，造孔劑1~2%，流變劑0?lwt%，粘結劑15-20wt%，燒結助劑2?3wt%，充分混合攪拌，得到具有低粘度、高固含量的濃懸浮體漿料；
(2)制備泡沫陶瓷生坯
在濃懸浮體漿料中加入3?5的％的發泡劑，0?1的％的穩泡劑，于70?80°C下加熱攪拌30?60s直至漿料發泡，再加入0?1被％的引發劑，繼續加熱攪拌1?2min，至引發凝膠反應，將上述漿料快速注入預成型無孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉移至恒溫恒濕箱中在70?75°C下養護0.5?lh，待坯體固化后脫模，再放入鼓風干燥烘箱中于80?90°C下干燥4?5h，得到生坯；
(3)高溫燒結成形
將生坯置于馬弗爐中，以3°C/min的升溫速率從100±10°C升溫至900±50°C，保溫50?70min，再以5°C/min從900±50°C升溫至1600?1650°C，并保溫100?120min，隨爐冷卻后經機加工處理，得到所述的泡沫陶瓷。
[0009]步驟(1)中，所述造孔劑為硫酸鈣或石墨粉中的一種或其混合物，流變劑為羧甲基纖維素或羧甲基纖維素鈉中的一種或其混合物，粘結劑為鋯溶膠或鋁溶膠中的一種或其混合物，燒結助劑為高嶺土或膨潤土中的一種或其混合物。
[0010]進一步的，鋁溶膠的制備工藝如下:將無水A1C13溶于水與A1微粉按照摩爾比1:5，置于反應釜中，于90?100°C下加熱回流2?3h后，過濾得到鋁溶膠。
[0011 ]進一步的，鋯溶膠的制備工藝如下:將堿式碳酸鋯溶于冰醋酸與水的混合溶液中，再將醋酸釔混合，并攪拌至澄清，得到鋯溶膠，其中，堿式碳酸鋯與醋酸釔的摩爾比1:0.174ο
[0012]步驟(1)中，c-Zr02短纖維的制備工藝如下:將氧化鋯凝膠纖維置于馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從100°C升溫至500?600°C，并保溫0.5?lh，隨爐冷卻后再破碎成3~5mm的短纖維。
[0013]步驟(2)中，所述發泡劑為雙氧水或十二烷基硫酸三乙醇胺中的一種或其混合物，穩泡劑為十二烷基三甲基溴化銨，引發劑為聚丙烯酰胺或氯化銨中的一種或其混合物。
[0014]與現有技術相比，本發明的優點是:
(1)采用氧化鋯纖維作為陶瓷增強體，利用纖維的拔出、橋聯，裂紋的偏轉等增強手段，提高了泡沫陶瓷的斷裂韌性和抗壓強度。
[0015](2)鋁溶膠等物質與燒結助劑在高溫下形成的一些低熔點物質，如莫來石等室溫時能夠有效地減少泡沫陶瓷的掉渣和粉化。
[0016](3)采用反應產生溶膠-凝膠轉變，在氣泡合并長大、泡沫坍塌之前，快速固化制得陶瓷生坯，氣孔率高且氣孔分布均勻，提高了泡沫陶瓷的保溫隔熱性能。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明所述的氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷的實物圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0019]實施例1:
取100g堿式碳酸鋯粉(Zr02含量2 40%)溶于40ml冰乙酸和60g蒸餾水中，并加入16.lg的醋酸釔(Y(Ac)3.3H20)，攪拌3~4h至澄清，得到氧化鋯溶膠。
[0020]將氧化鋯凝膠纖維置于馬弗爐中，以2°C/min的升溫速率從100°C升溫至500?600°C，并保溫0.5?1.0h，使凝膠纖維完全碳化，隨爐冷卻后再破碎成3~5mm的短纖維。
[0021 ] 取10wt%c_Zr02短纖維和60wt%的α-Α?2θ3粉體，并加入石墨粉2wt%，羧甲基纖維素lwt%，氧化錯溶膠20wt%，高嶺土 2wt%，充分混合攪拌，得到具有低粘度、高固含量的濃懸浮體漿料。加入3wt%的十二烷基硫酸三乙醇胺和1 wt%的十二烷基三甲基溴化銨，于70?80°C下加熱攪拌30?60s直至漿料發泡，再加入lwt%的聚丙烯酰胺溶液，繼續加熱攪拌1?2min，至引發凝膠反應。
[0022]將上述漿料注入預成型無孔模具中，得到濕坯，并與模具一起轉移至恒溫恒濕箱中在75°C下養護0.5h。待坯體固化后脫模，再放入鼓風干燥烘箱中85°C干燥4h，得到生坯。生坯以3°C/min的從100°C升溫至900±50°C，保溫50~70min，再以5°C/min從900±50°C升溫至1600?1650°C，并保溫100?120min，隨爐冷卻后經機加工處理，得到氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，如圖1所示。
[0023]燒結過程的升溫速率如果過高會導致材料的開裂、變形，如果過低會減緩晶粒之間的致密化進程，降低制品的性能，且耗電量增加。經過多次試驗，采用本實施例中的燒結工藝更為合理。目的是在低溫階段有機物所產生的揮發性氣體緩慢從陶瓷基體中逸出，形成泡沫狀結構。同時使陶瓷基體不會因內應力過大而產生微裂紋等缺陷，保證了泡沫陶瓷的強度。
[0024]采用上述制法制得的氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷，主晶相為氧化鋯纖維的c-Zr02和基體的α-Α1203。有機物等在高溫反應后已經完全汽化，樣品中主要元素為鋁、鋯、氧及其他一些微量元素。該氧化鋯纖維增強的氧化鋁閉孔泡沫陶瓷的體積密度約為1.0g/cm3，氣孔率約為80%，1000°C熱面導熱系數約為0.30 W/m‘k，加熱永久線收縮(1600°CX 24h)約為1.1%，抗壓強度約為10.6MPa。
[0025]實施例2:
將30g無水氯化鋁溶于500ml水中，然后和30.3g鋁微粉置入反應釜中，于90?100°C下加熱回流2?3h，過濾得到鋁溶膠(A1203的質量分數約為12.1%)。其ζ電位值為35mV，可穩定保存至3d以上。
[0026]取15wt%c_Zr02短纖維和55wt%的CX-AI2O3粉體，并加入石墨粉2wt%，羧甲基纖維素
1.0wt%，氧化招溶膠18wt%，高嶺土 2.0wt%，充分混合攪拌，得到濃懸浮體楽料。然后按序加入5被％的過氧化氫溶液(H202含量為30%)和lwt%的十二烷基三甲基溴化銨，于80°C下加熱攪拌30s直至楽料發泡，再加入lwt%的氯化錢溶液，繼續加熱攪拌lmin，至引發凝膠反應。
[0027]將上述漿料注入預成型