一种利用自蔓延高温合成制备泡沫陶瓷材料的方法技术

材料领域一种利用自蔓延高温合成（ＳＨＳ）制备泡沫陶瓷材料的方法，包括配制浆料（１）、浸渍（２）、烘干（３）和烧结（４）过程，特征是，浆料中，应加入按化学计量的两种或两种以上能进行ＳＨＳ反应并产部分液相量的反应物粉料；１～４０％的添加物；２～５％的水玻璃，０．２～３％的羧甲基纤维素；烧结是用ＳＨＳ法在Ｔ↓［ｋ］温度下点火完成；过程中，体系内控制４０～８０％的液相量。优点①烧结时间短，②工艺简单，不需高温烧结炉，③产品高温性能好，耐火度大于１８００℃，④成本低廉。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到泡末陶瓷材料的制备，属于材料领域。泡沫陶瓷具有良好的耐高温性能，发达的表面和很高的活性，可广泛用于金属熔体净化，内燃机尾气过滤和化工催化剂载体等工业领域。现有技术制备泡沫陶瓷材料的重要方法是，利用聚氨脂泡沫塑料为前躯材料，将其浸入陶瓷浆料中，取出再挤出多余的浆料后烘干，在高温下长时间烧结的方法。近几年也有利用电脉冲加压烧结法制备泡沫陶瓷材料的工艺。这些方法，在工艺周期、成本、性能等方面都有不尽人意之处。目前，国内制备的泡沫陶瓷材料(如莫来石，Al2O3等)，除在有色金属及其合金领域使用比较成功外，在高温金属熔体净化方面应用的过滤材料(如SiC，堇青石等)，并未完全达到实用化的程度，而在内燃机尾气过滤这个重要领域，在材料选择和制备工艺上均还不够成熟。因此，泡沫陶瓷材料的研究，一直是材料科学工作者研究，探讨的前沿课题。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(1～5％)及粘结剂混合均匀，按总重量25～35％加水搅拌成浆，其中粘结剂量为总重量的2～5％的膨润土，1～3％的羧甲基纤维素，3～6％的磷酸(或α-淀粉1～2％)。粘结剂的作用是保持坯体烧结前低温和中温过程有较高的强度，Y2O3的作用是活化烧结过程，促进烧结。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。这种材料的耐火度为1650～1800℃。但它还有下列不足①生产周期长，成本高，②高温抗压强度低，抗热震性低。为了克服现有技术的上述不足，并制备出生产周期短，工艺方法简单、成本低廉、耐火度大于1800℃和具有高温性能好的泡沫陶瓷材料，特提出本专利技术的技术解决方案。本专利技术的基本构思是，浓据泡沫陶瓷材料的形成过程是一种高放热化学反应过程的原理，利用自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperatureSynthesis，简称SHS，下同)法，在向体系提供必要能量(一定的温度)的前提下，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，从而制备出所需的陶瓷材料。为了实现这一构思，必须选出能够进行SHS反应，并能产生部分液相量的两种或两种以上的物质，用热力学的方法，根据它们在25℃发生反应的热效应(用ΔH°298表示)，计算出绝热温度(用Tad表示)和反应后产生的液相量(理论值，用θ0表示)，在此基础上，通过控制该体系中添加物的种类、加入量、设计的液相量(控制值，用θ1或θ1C表示)，设计预热温度(试验计算值，用T0或T0C表示)和坯体烧结的实际点火温度(用TK表示)，实现用SHS法制备泡沫陶瓷材料。本专利技术所设计的，包括配制浆料、浸渍、烘干和烧结工艺过程，其特征在于浆料制备中应包括加入按化学计量取粒度大于200目的两种或两种以上，能够进行SHS反应并产生部分液相量(理论计算值θ0)的反应物粉料；包括占反应物总重量1～40％(wt％，下同)的添加物；包括占反应物总重量2～5％的水玻璃；包括占反应物总重量0.2～3.0％的羧甲基纤维素；包括所加全部物料总重量50～100％的水；将上述物料加水均匀搅拌成浆料；烧结过程是利用自蔓延高温合成(即SHS)法完成；在完成的SHS反应中，体系内所控制的液相量(θ1或θ1C)为40～80％；利用SHS反应对坯体烧结的实际点火温度为TK。本专利技术所设计的，其进一步的特征在于，配料中所加的添加物是高熔点的金属粉末和陶瓷粉末，常用的高熔点金属粉末有Ti、Cr、Zr、Mo和W，陶瓷粉末有Al2O3、SiO2、ZrO2和SiC；坯体的设计预热温度T0的上限和下限或最低预热设计温度T0C，均是在保证体系中在进行SHS反应时，存在有40～80％的液相量θ1或θ1C的前提下，经过热力学计算得出来的；坯体在SHS反应中，体系内所控制的40～80％液相量θ1或θ1C，是根据液相量理论计算值θ0，并通过控制加入添加物的种类和量，经过热力学计算和实验所确定；当选择不同的添加物和不同的加入量时，如果θ0＜40％，则应控制θ1在40～60％范围，以计算出T0或T0C，如果θ0在40～60％之间，则应控制θ1在50～70％范围，以计算T0或T0C，如果θ0＞60％，则应控制θ1在60～80％范围，以计算T0或T0C；利用SHS反应对坯体的实际点火温度TK，其取值方法是当设计预热温度T0在一定范围内连续变化，而θ1在40～80％范围内也连续变化时，TK取T0的上限和下限的平均值，当设计预热温度T0在一定范围内连续变化，而θ1为一稳定的固定值(称θ1C)时，TK应取达到此固定值(θ1C)的最低设计预热温度(称T0C)再加300～400℃。完成本专利技术的关键在于，在满足加入规定条件下的添加物量，使其在进行SHS反应中达到所规定的液相量的前提下，确定坯体进行SHS反应的实际点火温度TK。为此，对TK的确定明确如下步聚①首先，利用热力学平衡方程计算SHS反应25℃时的理论绝热温度(Tad)和所产生的部分理论液相量(θ0)，②其次，通过加入1～40％的添加物，以达到控制反应后规定液相量(θ1为40～80％)的条件下，再利用热力学平衡方程计算坯体的设计预热温度T0或T0C，③最后，根据坯体的设计预热温度T0或T0C确定最终坯体在进行SHS反应时的实际点火温度TK。现就以具体SHS反应予以说明利用热力学平衡方程计算的原则是，假定反应是在绝热条件发生，且反应物100％按化学计量进行放热SHS反应，它所放出的热量ΔH°298全部用于加热生成物，那么，如果反应在25℃时发生，则有-ΔH°298＝∑ni(H°Tad-H°298)i生成物式中(H°Tad-H°298)——为物质mol相对焓ni——生成物的mol数ΔH°298——反应热效应(常温25℃)上式的物理意义是SHS反应(即高放热化学反应)的热效应(或称焓变)，使生成物升温到Tad，即生成物从25℃升到绝热温度Tad的焓变总量等于反应的热效应。如果，反应物经预热至T0或T0C温度，再混合发生反应，就有 上式的实质在于，为了应用反应在常温下的热效应(ΔH°298)，方便计算，根据盖斯定律，该反应物由预热所达到的T0降至298K，其所放出的热量就等于它所吸收的热量，用 表示，由于假定是绝热过程，此热量与热效应ΔH°298全部为产物所吸收，从而提高生成物温度。当有添加物加入并预热至T0温度时，反应平衡方程式变为 具本计算时，SHS反应的绝热温度Tad及液相量θ0与反应热效应及产物熔点密切相关，现以A物质与B物质相互反应生成AB物质，反应式为A+B→AB为例，加以说明，若AB的熔点为Tm(AB)，其熔化潜热为ΔHm(AB)，则Tad及θ0计算有三种情况第一种情况，若 式中CPS(AB)-AB固态热容此时，热效应较小，SHS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用自蔓延高温合成（Ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）制备泡沫陶瓷材料的方法，包括配制浆料［１］、浸渍［２］、烘干［３］和烧结［４］工艺过程，其特征在于：ａ）配制的浆料中，应包括加入按化学计量取粒度大于２００目的两种或两种以上，能够进行ＳＨＳ反应并产生部分液相量（理论计算值θ０）的反应物粉料；占反应物总重量１～４０％（ｗｔ％，下同）的添加物；占反应物总重量２～５％的水玻璃；占反应物总重量０．２～３．０％的羧甲基纤维素；用所加物料总重量的５０～１００％的水，将上述物料均匀搅拌成浆料，ｂ）坯体的烧结是利用自蔓延高温合成（ＳＨＳ）法完成，ｃ）在完成ＳＨＳ反应中，体系内所控制的液相量（θ１或θ１Ｃ）为４０～８０％，ｄ）坯体烧结的实际点火温度ＴＫ。２．根据权利要求１所述的一种利用自蔓延高温合成（ＳＨＳ）制备泡沫陶瓷材料的方法，其特征在于，添加物是高熔点的金属粉末和陶瓷粉末，常用的高。

【技术特征摘要】

【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，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]