一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及热防护材料领域，具体为一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法。以氧化钇和氧化硅粉末为反应物，以水为分散介质，加入分散剂不断搅拌，配制陶瓷浆料，接着加热浆料、加入发泡剂并快速机械搅拌进行发泡，再加入明胶和表面活性剂，然后进行注模和低温冰冻，接着真空干燥，之后坯体脱模和烘箱干燥，通过高温烧结制备出Y2SiO5多孔陶瓷。本发明专利技术解决了脱模干燥时，坯体收缩率很大或者变形严重的难题，合成出具有超高孔隙率、低密度、低热导率和耐高温的Y2SiO5多孔陶瓷，在热防护材料领域具有广阔应用前景。本发明专利技术成本低廉且可操作性强，采用新颖简单的生产工艺便可制备出具有超高孔隙(～96％)的多孔材料，工业生产前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法
本专利技术涉及热防护材料领域，具体为一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法。
技术介绍
随着航天航空事业的快速发展，对于隔热材料提出越来越高的要求，隔热材料面临着巨大的机遇和挑战。Y2SiO5多孔陶瓷作为一种新型的高温绝热材料应运而生，其具有许多优良的性能，如：低密度(1.65～1.28g/cm3)、高压缩强度(3.34～16.51MPa)和低热导率(0.07～0.22W/(m·K))的优点(R.B.Zhang,etal.Mater.Design.(材料与设计会刊)2013(46):746-750)。另外，还具有抗热震好、热稳定性优良，以及高温力学性能好的优点，很适合应用于高温绝热材料领域。因此，Y2SiO5多孔陶瓷将成为优秀的高温热防护材料。目前已见报道的制备Y2SiO5多孔陶瓷方法包括：TBA(叔丁醇)基-冷冻注模法、TBA基-凝胶注模法、水基-冷冻注模法、原位发泡-注凝法和添加造孔剂法等；但是不论采用Y2SiO5熟粉还是使用Y2O3和SiO2混合粉末，文献中所制备Y2SiO5多孔陶瓷的孔隙率都相对较低，大部分样品的最高孔隙率仅70％左右(如72％、71％和73.93％)；即使采用发泡-注凝法最高也只能制备出样品孔隙率为88.4％的多孔材料。文献：D.Y.Li,etal.J.Mater.Sci.Technol.(材料科学与技术会刊).2012(28)799-802；Z.G.Hou,etal.Ceram.Int.(国际陶瓷会刊).2013(39):969-976；Z.Wu,etal.Ceram.Int.(国际陶瓷会刊).2016(42)14894-14902，可以看出制备具有极高孔隙率(>90％)的Y2SiO5多孔陶瓷仍是一件非常困难的工作，原因在于制备极高孔隙率的多孔陶瓷时需要使用较低固含量(<15vol.％)的浆料。然而低固含量浆料所含有的大量水分会造成坯体在脱模和干燥时(直接室温脱模和干燥)变形严重甚至开裂以及收缩率较大(10～20％)，这样便严重影响了坯体外观形貌的规整完好和坯体的孔隙率，因此很难制备出外观形貌完整和高孔隙率的多孔陶瓷。另外，虽然文献中有报道使用冷冻干燥技术来制备Y2SiO5多孔陶瓷，但是一方面他们未使用发泡技术，单纯依靠溶剂量(即低固含量)来控制孔隙率，所以使用的溶剂总量很大(80～95％)，使得脱模和干燥的坯体总收缩率相对较大(1.52～10.67％)，从而降低了样品孔隙率；另一方面，他们使用的是Y2SiO5熟粉，而熟粉在高温烧结时活性较大，导致样品的烧结线收缩率较大，造成最终所获得多孔材料的孔隙率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，通过新颖的原位发泡注凝-冷冻干燥工艺制备具有超高孔隙率、低坯体收缩率、低密度、低热导率和耐高温的Y2SiO5多孔陶瓷隔热材料，并且材料的外观形状规则完整，可实现近净尺寸成型。本专利技术的技术方案如下：一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，采用新颖的原位发泡注凝-冷冻干燥工艺来制备Y2SiO5多孔陶瓷，具体步骤如下：1)配制陶瓷浆料：以质量份数计，按去离子水40～60份、分散剂0.5～1.5份、摩尔比1：2的Y2O3和SiO2混合粉末30～50份的配比，依次加入并搅拌1～3小时，形成陶瓷颗粒分散均匀的浆料；2)发泡-凝胶注模：将上述浆料放置于35～50℃水浴中，再按质量份数计，加入发泡剂1～3份，并搅拌进行发泡10～25分钟，之后加入凝胶剂明胶3～6份和表面活性剂1～3份，继续快速搅拌20～40分钟后注模；3)冷冻干燥-烘箱干燥：将凝固后陶瓷泡沫坯体和模具放入-20～-40℃的冷冻箱中进行低温冰冻12～24小时，接着在真空室温环境下干燥24～36小时，之后坯体脱模，然后在60～80℃下烘箱中干燥12～24小时；4)高温反应烧结：在1500～1600℃下马弗炉中进行高温反应烧结1～4小时，制备出超高孔隙率、低坯体收缩率、低密度、低热导率和耐高温的Y2SiO5多孔绝热材料。所述的超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，Y2SiO5多孔陶瓷的孔隙率高达90～96％，低坯体收缩率为0.7～1.5％，密度为0.18～0.45g/cm3，热导率为0.05～0.1W/(m·K)，并且耐热温度1500～1600℃。所述的超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，分散剂为聚乙酰亚胺、柠檬酸铵或硬脂酸，发泡剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，表面活性剂为聚乙二醇或丙三醇。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术通过发泡注凝-冷冻干燥工艺制备出Y2SiO5多孔陶瓷，制备出具有极高孔隙率(90～96％)和低坯体收缩率(～1％)的Y2SiO5多孔陶瓷，使得在脱模和干燥时坯体收缩率小于1.5％，并且外观形貌完好。2.本专利技术操作简单，制备周期较短，易于实现产业化。3.相比于文献报道的以Y2SiO5熟粉为原料所制备的多孔材料，本专利技术所制备的Y2SiO5多孔陶瓷具有更低的烧结收缩率和更好的热稳定性。总之，采用新颖的原位发泡注凝-冷冻干燥工艺来进行材料的制备，以氧化钇和氧化硅粉末为反应物，以水为分散介质，加入分散剂不断搅拌，配制出陶瓷浆料，接着加热浆料、加入发泡剂并快速机械搅拌进行发泡，再加入明胶和表面活性剂，然后进行注模，泡沫浆料凝固后放入冷冻箱中进行低温冰冻，接着在真空室温环境下干燥，之后坯体脱模和烘箱干燥，通过高温烧结制备出Y2SiO5多孔陶瓷。本专利技术可合成出超高孔隙率、低坯体收缩率、低密度、低热导率和耐高温的Y2SiO5多孔陶瓷，在热防护材料领域具有广阔应用前景。本专利技术成本低廉且可操作性强，采用新颖简单的生产工艺便可制备出具有超高孔隙(～96％)的多孔材料，工业生产及应用前景广阔。附图说明图1为Y2SiO5多孔陶瓷的X射线衍射谱图。图2(a)-图2(c)为Y2SiO5多孔陶瓷的扫描电镜照片。其中，图2(a)为实施例2；图2(b)和(c)为实施例3。具体实施方式在具体实施方式中，本专利技术采用原位发泡注凝-冷冻干燥工艺，获得Y2SiO5多孔材料为高温相X2-Y2SiO5多孔陶瓷。所制备样品的性能较佳，热稳定好，高孔隙率多孔样品的坯体干燥收缩率小于1～1.5％，在1550℃下保温3小时的线收缩率仅为5～8％，可实现近净尺寸成型。下面通过附图和实施例进一步详述本专利技术。实施例1本实施例中，先称取去离子水40g和分散剂聚乙酰亚胺0.5g，不断搅拌下加入Y2O3和SiO2(摩尔比1：2)混合粉末30g，搅拌1.5小时后形成浆料；然后将上述陶瓷浆料放置于50℃的水浴中，加入发泡剂十二烷基硫酸钠1g，快速搅拌(搅拌速率为2000rpm)进行发泡10分钟，再加入凝胶剂明胶3g和丙三醇1g，继续快速搅拌(搅拌速率为2000rpm)20分钟后注模；将凝固后陶瓷泡沫坯体和模具放入-20℃的冷冻箱中进行低温冰冻24小时，接着在真空室温环境下干燥24小时，之后坯体脱模，然后在60℃下烘箱中干燥24小时；最后在1500℃下马弗炉中进行高温反应烧结3.5小时，制备出超高孔隙率、低密度和低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，采用新颖的原位发泡注凝‑冷冻干燥工艺来制备Y2SiO5多孔陶瓷，具体步骤如下：1)配制陶瓷浆料：以质量份数计，按去离子水40～60份、分散剂0.5～1.5份、摩尔比1：2的Y2O3和SiO2混合粉末30～50份的配比，依次加入并搅拌1～3小时，形成陶瓷颗粒分散均匀的浆料；2)发泡‑凝胶注模：将上述浆料放置于35～50℃水浴中，再按质量份数计，加入发泡剂1～3份，并搅拌进行发泡10～25分钟，之后加入凝胶剂明胶3～6份和表面活性剂1～3份，继续搅拌20～40分钟后注模；3)冷冻干燥‑烘箱干燥：将凝固后陶瓷泡沫坯体和模具放入‑20～‑40℃的冷冻箱中进行低温冰冻12～24小时，接着在真空室温环境下干燥24～36小时，之后坯体脱模，然后在60～80℃下烘箱中干燥12～24小时；4)高温反应烧结：在1500～1600℃下马弗炉中进行高温反应烧结1～4小时，制备出超高孔隙率、低坯体收缩率、低密度、低热导率和耐高温的Y2SiO5多孔绝热材料。

【技术特征摘要】
1.一种超高孔隙率和低坯体收缩率Y2SiO5多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，采用新颖的原位发泡注凝-冷冻干燥工艺来制备Y2SiO5多孔陶瓷，具体步骤如下：1)配制陶瓷浆料：以质量份数计，按去离子水40～60份、分散剂0.5～1.5份、摩尔比1：2的Y2O3和SiO2混合粉末30～50份的配比，依次加入并搅拌1～3小时，形成陶瓷颗粒分散均匀的浆料；2)发泡-凝胶注模：将上述浆料放置于35～50℃水浴中，再按质量份数计，加入发泡剂1～3份，并搅拌进行发泡10～25分钟，之后加入凝胶剂明胶3～6份和表面活性剂1～3份，继续搅拌20～40分钟后注模；3)冷冻干燥-烘箱干燥：将凝固后陶瓷泡沫坯体和模具放入-20～-40℃的冷冻箱中进行低温冰冻12～24小时，接着在真空室温环境下干燥24～36小时，之后坯体脱模，然后在60～80℃下烘箱中干燥12～24小时；4)高温反应烧结：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，吴贞，孙鲁超，潘晶晶，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21