自蔓延高温合成控制制备(Al*O*+TiB*)泡沫陶瓷过滤器的方法技术

材料领域一种利用自蔓延高温合成（ＳＨＳ）控制制备（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器的方法，其特征是，按化学计量取能够进行ＳＨＳ反应的反应物粉料Ａｌ、ＴｉＯ↓［２］和Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］，加入１～２０％的添加物，坯体直接压制而成，通过控制其坯体密度而控制其产物物理性能，耐（１０００℃）热冲击性能好，气孔率为５０～８０％，孔径为０．１～０．５ｍｍ，具有要求的导电性和微波吸收特性，优点①烧结时间短，②工艺简单，不需高温烧结炉，③高温性能好，耐火度大于１８００℃，④成本低廉。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到用Al2O3+TiB2制备一种内燃机碳烟泡沫陶瓷过滤器的方法，属于过滤器产品制备及其应用领域。柴油机因其动力性好、油耗低，因此在能源日趋紧张的现代社会得到了越来越广泛的应用。但是其排气中含有大量碳烟微粒，其质量浓度是汽油机的几十倍。随着对环境质量问题的逐步重视，世界各国建立越来越严格的排放法规，限制柴油机碳烟微粒的排放，在技术上，采用泡沫陶瓷过滤器或壁流式陶瓷过滤器除去柴油机排气中的微粒是最具有代表性的方法之一，因此，陶瓷过滤器及其生产方法的研究一直是科技工作者研究的重要内容。过滤器在过滤过程中，碳烟微粒积存在过滤器内，因此必须定期除去微粒，使过滤器恢复到原来工作状态，即，使过滤器再生。过滤器的再生过程，实际上就是利用热能将沉积在过滤内的微粒烧掉，根据热量来源的不同，再生技术可分为利用内燃机自身能量进行再生和利用外界能量进行再生两大类，单纯依靠内燃机自身能量对过滤器进行再生有很大困难，所以内燃机尾气过滤器大都借助外部能量进行强制热再生，由于电自加热再生及微波再生的再生效率要高于其他加热方式，因此是目前应用最多的再生方法。电自加热再生技术是将过滤体直接作为电加热元件对其通电加热，沉积其上的碳烟微粒升温燃烧，这种过滤器再生方式要求过滤器材料有一定的导电性；微波加热再生技术是利用微波的能量加热，使碳烟微粒燃烧，微波加热时，要求过滤器材料具有一定的微波吸收性能。具有理想使用寿命并且有利于再生的内燃机碳烟微粒过滤器及其材料至少应具有如下特点1)耐热冲击性好，具备较强的机械性能指标，2)热稳定性好，能够承受很高的热负荷，3)具有较高的过滤效率，能够有效地对微粒物质捕集净化，4)具有要求的导电性或微波吸收特性，以满足再生技术的要求。现有技术生产和使用较多的内燃机碳烟过滤器材料主要是堇青石、三氧化二铝、铬钢玉或碳化硅，从过滤器整体来看，大多存在耐高温性能差，使用寿命低的问题。堇青石的耐火度只有1200～1300℃，且导热系数小、不导电，不能利用电自加热再生，微波吸收性能差，在再生过程中导致加热温升速率低，不利于过滤器再生。三氧化二铝微波吸收性能更差，同时热膨胀系数较高，在过滤及再生中，由于温度的变化，容易在过滤体中产生较大的内应力，从而造成材料的破坏。铬钢玉泡沫陶瓷过滤器尚处于试制阶段，制造工艺还难以满足微孔径的均匀性，质量也不稳定。碳化硅过滤器质量很好，但制备困难，成本高。现有技术生产的泡沫陶瓷过滤器不仅材料组分不理想、性能大都不能满足要求，还存在生产周期长，生产过程复杂的问题，一般生产的过滤器气孔率和孔径不能直接控制，而由聚氨脂泡沫塑料的孔径来确定，无法制备气孔小于0.3mm的泡沫陶瓷材料。中国专利局1992年10月14日公开了题为“泡沫陶瓷材料过滤器及其制造方法”的专利申请，其申请号为92102883.0。其材料的主要成分为Al2O3、SiO2或加入少部分ZrO2，工艺过程是通过浆料制备、浸渍、烘干和烧结四个步骤实现的。在浆料制备中，选择Al2O3、SiO2或加部分ZrO2后，再加入Y2O3(活化剂，促进烧结过程)及膨润土、羧甲基纤维素、磷酸(或α淀粉)作粘结剂，混合均匀，加水搅拌成浆，将多孔泡沫塑料浸渍在浆料中，再挤出多余的浆料，然后将粘附有混合物浆料的坯体加热200～300℃进行烘干，最后在1500～1650℃的高温下烧结1～6小时，使坯体固化，过滤器材料的耐火度为1650～1800℃。该技术存在下列不足1)工艺步骤相对较多，烧结温度高，生产周期长，成本高，2)过滤器气孔率和孔径不能直接控制(由聚氨脂泡沫塑料的孔径来确定)，3)高温抗压强度低，抗热震性差，4)过滤器材料微波吸收性能差，不具备要求的导电性。本专利技术的目的和任务是为了克服现有技术制备泡沫陶瓷过滤器1)生产方法复杂，2)生产周期长，3)产品性能差，4)使用寿命低，材料体系不具备再生技术要求的理想性能的不足，并1)利用自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS)制备新材料体系的(TiB2+Al2O3)泡沫陶瓷过滤器，2)简化过滤器制备工艺，3)使过滤器材料具有再生技术要求的导电性或微波吸收性能，4)能控制产品的孔径和气孔率，实现0.1～0.5mm孔径的泡沫陶瓷过滤器的生产，尤其是对0.1～0.3mm孔径泡沫陶瓷过滤器的生产，特提出本专利技术的技术解决方案。二硼化钛(TiB2)不仅具有高熔点、高硬度、优异的耐蚀性和抗氧化性(氧化温度高于1550K)，而且具有良好的导电性和导热性，这是其他陶瓷材料所不及的，而Al2O3同样具有高熔点、高硬度，同时化学稳定性好，但不导电，基本上不吸收微波。单独使用它们之中的一种材料无法满足内燃机过滤器材料的性能要求，如果把它们有机结合起来，就可以制备出具有良好高温性能并且易于再生技术实施的理想过滤器。由于这两种材料都是高熔点、化学稳定性好材料，TiB2的熔点接近3000℃，而Al2O3的熔点超过2000℃，用加热粘结剂和活化剂的现有技术烧结法在2000℃以下不能把它们有机结合形成良好性能材料，制造2000℃以上的高温烧结炉很困难，因而用现有技术成批生产(TiB2+Al2O3)泡沫陶瓷过滤器是不可能的。本专利技术依据SHS反应过程，其泡沫陶瓷材料的形成是一种高放热化学反应过程的原理，利用反应的反应绝热温度大于2000℃的特点，加入一定量的添加物后，向体系提供必要能量(一定的温度)，诱发体系局部产生化学反应，此后，由于这一化学反应过程在自身放出高热量的支持下继续进行，最后，将燃烧(反应)波蔓延到整个体系，从而控制制备出所需的(TiB2+Al2O3)泡沫陶瓷过滤器，并使其具有良好的高温性能和要求的导电性和微波吸收性能，以满足内燃机碳烟过滤器使用及再生技术的要求。本专利技术的基本构思是，利用SHS反应，将能完成SHS反应的本专利技术配方的粉料，不需加入水和粘结剂，也不用任何载体，通过加入高熔点的添加物控制其电阻率和微波吸收性能，同时通过控制坯体的密度，直接制备出符合要求的坯体，然后再将制备的坯体放在炉中，利用SHS方法直接点火完成本专利技术的任务。本专利技术所提出的“自蔓延高温合成控制制备(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器的方法”，主要包括按化学计量取粒度大于200目的反应物粉料、占反应物总重量1～20％(wt％，下同)的添加物、混合均匀的物料配制方法、成型方法及在点火温度Tk进行SHS反应所完成烧结过程，其特征在于生产(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器的成分配方是反应物为Al、TiO2、B2O3的粉料和占反应物总重量1～20％的高熔点添加物粉料；生产(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器的坯体是由反应物粉料和添加物。粉料均匀混合后直接压制而成；所制备的(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器，其气孔率和孔径是由通过坯体密度所控制；所制备的(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器，其电阻率和微波吸收率是由通过加入高熔点的添加物所控制；制备(Al2O3+TiB2)泡沫陶瓷过滤器的生产工艺方法。本专利技术的进一步特征在于，坯体控制密度(dk)是通过泡沫陶瓷过滤器材料的理论密度(D0)及实验参数确定为dk＝(0.20～0.50)D0+(5～10)％，坯体本文档来自技高网...

【技术保护点】
自蔓延高温合成（Ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ Ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）控制制备（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器的方法，主要包括：按化学计量取粒度大于２００目的反应物粉料、占反应物总重量１～２０％（ｗｔ％，下同）的添加物、混合均匀的物料配制方法、成型方法及在点火温度Ｔｋ进行ＳＨＳ反应所完成烧结过程，其特征在于：ａ）生产（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器的成分配方是：反应物为Ａｌ、Ｔｉ Ｏ↓［２］、Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］的粉料和占反应物总重量１～２０％的高熔点添加物粉料，ｂ）生产（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器的坯体是由反应物粉料和添加物粉料均匀混合后直接压制而成，ｃ）所制备的（Ａｌ↓［２］Ｏ ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器，其气孔率和孔径是由通过坯体密度所控制，ｄ）所制备的（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器，其电阻率和微波吸收率是由通过加入高熔点的添加物所控制，ｅ）制备（Ａｌ↓［２］Ｏ↓［ ３］＋ＴｉＢ↓［２］）泡沫陶瓷过滤器的生产工艺方法。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金龙，周鼎玲，
申请(专利权)人：大连理工大学，吉林省高等院校科技开发研究中心，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]