一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷及其制备方法
【专利说明】一种高开口气孔率Ot晶型纳米氧化铝多孔陶瓷及其制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于纳米多孔材料领域，具体涉及一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0003]多孔氧化铝陶瓷是指以氧化铝为骨料，通过在材料成型与高温烧结过程中，内部形成大量彼此相通或闭合气孔的一类陶瓷材料。由于氧化铝来源广泛、价格低廉，因此多孔氧化铝陶瓷在气体和液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等众多领域均有广泛的应用。
[0004]多孔a-Al2O3陶瓷的制备主要包括坯体的成型、孔结构的形成和坯体的烧结。目前关于多孔a -Al2O3陶瓷中孔隙结构形成的方法主要包括添加造孔剂成孔法、部分烧结法、坯体成型烧结法等等，所采用的原料主要是Ct-Al2O3粉体。这些方法都有自身的优点，但也有不足之处。如采用多孔模板或添加造孔剂成孔法，不仅制备工艺较为复杂，而且可燃物在燃烧后可能会留下大量的灰分；此外由于大多数造孔剂的分解温度或燃烧温度较低，部分气孔会在造孔剂去除过程中发生塌陷。部分烧结法孔隙结构主要依靠原料颗粒之间的烧结颈部进行支撑，这种多孔骨架结构结合强度在使用过程中随着温度的升高而显著降低，造成产品的力学性能尤其是高温力学性能的降低；而且制备过程需要精细调控，过低的温度容易造成孔隙的塌陷，过高的温度又会使得气孔率大幅降低与大量的闭合气孔的形成。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷及其制备方法。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷的制备方法，包括如下步骤:
将γ -Al2O3粉体装填至石墨模具中，置于放电等离子烧结炉，在30?10MPa轴向载荷压力下，1100?1250°C真空烧结，保温3-5min ;或将γ-Al2O3坯体在常规空气炉中无压烧结，烧结温度1350?1450°C，保温30?120min。
[0007]所述的γ -Al2O3坯体优选通过包括如下步骤的方法得到:取γ -Al 203粉体在钢模具中10?15MPa压力下干压成型，再在150?200MPa压力下冷等静压。
[0008]一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷，通过上述方法制备得到，其平均晶粒尺寸小于160nm，开口气孔率大于95%。
[0009]普通a -Al2O3多孔陶瓷，其中的孔隙骨架是利用原始粉体在烧结过程形成的烧结颈部发生连接。这种由随机颗粒颈部连接所形成的孔隙骨架其强度主要取决于烧结颈部的结合面积。为了提高孔隙骨架的结合强度，需要采用较高的温度或经过长时间保温，促进颗粒之间的烧结。但是这些过程中会发生持续的物质扩散，造成孔隙率的降低，甚至闭合气孔的形成。y -Al2O3粉体在加热的过程中会经历:γ -Al 203— δ -Al 203— θ -Al 203— α -Al 203一系列的晶型变化，并在IlOOtC以上温度开始形成稳定的晶型α-Α1203。相变过程所得到a-Al2O3典型的微观形貌是由蠕虫状α-Al 203晶粒为骨架的多孔形态。如前所述Q-Al2O3粉体烧结过程中所形成的孔隙骨架是由随机a -Al2O3颗粒部分烧结而形成的烧结颈部，但是经过相变所得到的蠕虫状晶粒骨架两边颗粒的晶体取向保持一致，这样的骨架结构能够大幅提高多孔氧化铝陶瓷的力学强度。同时伴随的相变过程的进行，材料内部的孔隙结构能够自发的发生孔隙的放大生长，因此无需任何造孔剂、成孔模板或烧结助剂的辅助，同时保持尚的开口气孔率。
[0010]综上所述，与现有多孔氧化铝陶瓷材料及其制备工艺相比，本发明具有以下明显优势:
(I)采用γ-Al2O3粉体，原料成本更加低廉。
[0011](2)材料晶粒尺寸，孔隙尺寸均保持纳米尺度。
[0012](3)无需任何造孔工艺，无需添加任何造孔模板或造孔剂，制备过程工艺更加简单。
[0013](4)利用相变过程形成的蠕虫状晶粒骨架，材料强度尤其是高温强度大幅提升。
[0014](5)由于孔隙的形成为相变过程自发扩孔产生，因此所制备的多孔氧化铝陶瓷材料具有孔径分布均匀、孔径尺度小、开口气孔率高等有益性能。
[0015](6)材料制备的温度窗口宽泛，工艺控制简单，可重复性好。
[0016](7)够通过辅助压力、保温时间等工艺参数调整兼顾材料的孔隙率与力学强度的调整。
【附图说明】
[0017]图1是实施例1产物的X-射线衍射结果图。
[0018]图2是实施例1产物的孔隙分布结果图。
[0019]图3是实施例1产物微观结构的扫描电镜图。
[0020]图4是实施例2产物微观结构的扫描电镜照图。
[0021]图5是实施例4产物微观结构的扫描电镜照图。
[0022]图6是对比实施例1产物微观结构的扫描电镜照图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0024]实施例1
(I)称取Y-Al2O3粉体1.5g，不经过任何进一步处理，将粉体装填至内径为12mm的石墨模具中。
[0025](2)将装填的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，在10MPa轴向载荷压力下，1100°C真空烧结，保温3min，得到氧化铝多孔陶瓷。
[0026]对所得烧结产物进行X射线衍射分析测试表明(图1)，γ -Al2O3粉体在1100°C全部转变成α-Α1203。采用压汞法对上述1100°C烧结以及相同条件下700°C烧结得到的烧结体孔隙进行表征，结果表明:γ -Al2O3粉体堆积的孔径在相变完成后发生了放大，1100°C烧结所得到的氧化铝多孔陶瓷孔径为40?130nm (图2)，且开口气孔率为98.5%。对烧结产物通过扫描电镜观察，结果表明(图3):烧结体内形成了蠕虫状的a -Al2O3孔隙骨架，α -Al 203的平均晶粒尺寸为60?120nm。排水法测量所制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为42%。强度测试表明，所制备的氧化铝多孔陶瓷抗弯强度达到170MPa。
[0027]实施例2
(I)称取Y-Al2O3粉体1.5g，不经过任何进一步处理，将粉体装填至内径为12mm的石墨模具中。
[0028](2)将装填的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，在10MPa轴向载荷压力下，1250°C真空烧结，保温3min，得到氧化铝多孔陶瓷。
[0029]采用压汞法对烧结体孔隙进行表征，结果表明所制备的氧化铝多孔陶瓷孔径开口气孔率为96.8%，多孔陶瓷孔径为50?120nm。排水法测量所制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为38%。强度测试表明，所制备的氧化铝多孔陶瓷抗弯强度达到185MPa。对烧结产物通过扫描电镜观察结果表明(图4): a -Al2O3的平均晶粒尺寸为80?150nm，即使在1250°C、10MPa压力下，所制备的氧化铝多孔陶瓷中的孔隙结构也不发生坍塌，表明材料具有优良的高温力学性能。
[0030]实施例3
(I)称取Y-Al2O3粉体1.5g，不经过任何进一步处理，将粉体装填至内径为12mm的石墨模具中。
[0031](2)将装填的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，在30MPa轴向载荷压力下，1100°C真空烧结，保温3min，得到氧化铝多孔陶瓷。
[0032]采用压汞法对烧结体孔隙进行表征，结果表明所制备的氧化铝多孔陶瓷孔径开口气孔率为98.7%，多孔陶瓷孔径为20?140nm。对烧结产物通过扫描电镜观察，结果表明:烧结体内形成了蠕虫状的a -Al2O3孔隙骨架，α -Al 203的平均晶粒尺寸为30?120nm。排水法测量所制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为62%。强度测试表明，所制备的氧化铝多孔陶瓷抗弯强度达到125MPa。
[0033]实施例4
(I)称取T-Al2O3粉体1.5g，不经过任何进一步处理，在钢模具中15MPa压力下干压成型。
[0034](2)将成型的γ-Al2O3坯体在200MPa压力下冷等静压。
[0035](3)将冷等静压所得坯体在常规空气炉中无压烧结，烧结温度1350°C，保温60min，得到氧化铝多孔陶瓷。
[0036]采用压汞法对烧结体孔隙进行表征，结果表明所制备的氧化铝多孔陶瓷孔径开口气孔率为95.7%，多孔陶瓷孔径为50?140nm。对烧结产物通过扫描电镜观察，结果表明(图5): a -Al2O3的平均晶粒尺寸为80?160nm，在无压力条件下孔隙结构在1350°C不发生坍塌。排水法测量所制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为58%。强度测试表明，所制备的氧化铝多孔陶瓷抗弯强度达到125MPa。
[0037]实施例1?4表明，通过温度与压力参数的选择，能够实现灵活调控氧化铝多孔陶瓷的气孔率与强度。
[0038]对比实施例1
(I)称取Y-Al2O3粉体1.5g，不经过任何进一步处理，将粉体装填至内径为12mm的石墨模具中。
[0039](2)将装填的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，在10MPa轴向载荷压力下，1300°C真空烧结，保温3min，得到氧化铝多孔陶瓷。
[0040]对烧结产物通过扫描电镜观察，结果表明(图6):在10MPa轴向载荷压力下，孔隙结构在1300°C及以上温度开始发生坍塌，形成部分闭合气孔，多孔陶瓷孔隙率降低。
[0041]以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。相关行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。所列举实施例和说明书描述的只是说明本发明的基本原理，在不脱离本发明精神和范围的条件下，本发明会有多种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤: 将γ -Al2O3粉体装填至石墨模具中，置于放电等离子烧结炉，在30?10MPa轴向载荷压力下，1100?1250°C真空烧结，保温3-5min ； 或将γ-Al2O3坯体在常规空气炉中无压烧结，烧结温度1350?1450 °C，保温30?120mino2.根据权利要求1所述高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷的制备方法，其特征在于:所述的T-Al2O3坯体通过包括如下步骤的方法得到:取T-Al2O3粉体在钢模具中10?15MPa压力下干压成型，再在150?200MPa压力下冷等静压。3.一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷，其特征在于:通过权利要求1或2所述的方法制备得到。4.根据权利要求3所述的高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷，其特征在于:其平均晶粒尺寸小于160nm。5.根据权利要求3所述的高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷，其特征在于:其开口气孔率大于95%。
【专利摘要】本发明公开了一种高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷及其制备方法，属于纳米多孔材料领域。将γ-Al2O3粉体装填至石墨模具中，置于放电等离子烧结炉，在30～100MPa轴向载荷压力下，1100～1250℃真空烧结，保温3-5min；或将γ-Al2O3坯体在常规空气炉中无压烧结，烧结温度1350～1450℃，保温30～120min高开口气孔率α晶型纳米氧化铝多孔陶瓷，其平均晶粒尺寸小于160nm，开口气孔率大于95%。本发明成本低廉、可重复性好，多孔陶瓷中孔结构的形成不借助任何烧结助剂或造孔剂，所制的氧化铝多孔陶瓷具有孔隙分布均匀、孔径尺度小、开口气孔率高大于95%，力学性能优良等优异性能。
【IPC分类】C04B38/00, C04B35/10
【公开号】CN105060918
【申请号】CN201510456180
【发明人】熊焰, 刘冲, 王玲
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月30日