一种微纳米纤维复合锆酸钆多孔陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种微纳米纤维复合锆酸钆多孔陶瓷及其制备方法和应用。所述多孔陶瓷为微纳米二氧化硅纤维复合锆酸钆多孔陶瓷，其中锆酸钆作为陶瓷分散相，作为连续相的微纳米二氧化硅纤维为增强骨架材料，所述微纳米二氧化硅纤维之间、所述微纳米二氧化硅纤维与陶瓷之间、以及陶瓷微粒之间均与铝硼硅酸盐粘结剂形成键合。该多孔陶瓷具有热导率较低、高孔隙率和高强度的优势。和高强度的优势。和高强度的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳米纤维复合锆酸钆多孔陶瓷及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于多孔陶瓷材料领域，具体涉及一种微纳米纤维复合锆酸钆多孔陶瓷及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]与其它陶瓷相比，氧化锆基陶瓷具有强度高、导热系数低的特点。因此，其应用于热保护中是很有意义的。氧化锆基陶瓷的研究主要集中在热障涂层的制备上。尽管热障涂层在隔热方面具有优势，但在承载方面却几乎没有潜力。现有技术中，热障涂层的强度往往无法达到预期要求。其中，氧化钇稳定氧化锆(YSZ)具有较低的热导率和较高的热膨胀系数，但它存在如下缺点：一是在1170℃以上，YSZ从t'相转变为平衡四方相和立方相(t和c)；在冷却过程中，t相转变为单斜相，减小了涂层的体积，可能导致涂层失效；二是涂层的强化烧结，导致孔隙率降低，弹性模量增大。因此，有必要寻找既能满足隔热性能又能满足力学性能要求的陶瓷块体材料。
[0003]研究证实，通过引入孔隙形成多孔陶瓷，可以降低陶瓷的热导率，然而多孔陶瓷的强度随着孔隙率的增加而显著降低，且多孔陶瓷的强度衰减与其制备方法直接相关。许多研究报道了制备高导热多孔陶瓷的方法，包括使用造孔剂、部分烧结和模板法。然而，对于低热导率、高孔隙率且高强度的多孔陶瓷的制备却鲜有报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种多孔陶瓷，所述多孔陶瓷为微纳米二氧化硅纤维复合锆酸钆多孔陶瓷，其中锆酸钆作为陶瓷分散相，作为连续相的微纳米二氧化硅纤维为增强骨架材料，所述微纳米二氧化硅纤维之间、所述微纳米二氧化硅纤维与锆酸钆陶瓷之间、以及锆酸钆陶瓷微粒之间均与铝硼硅酸盐粘结剂形成键合。
[0005]根据本专利技术的实施方案，所述多孔陶瓷的气孔有序分布在陶瓷材料中。
[0006]根据本专利技术的实施方案，所述微纳米二氧化硅纤维与锆酸钆的质量比为(0.8～1.2):(10～30)，例如为(0.9～1.2):(15～25)，示例性为1.2:10、1.2:20、1.2:15。
[0007]根据本专利技术的实施方案，所述微纳米二氧化硅纤维的直径为0.09～5μm；例如200nm～3μm；示例性地，直径为200nm、300nm、700nm、2μm、3μm。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述多孔陶瓷的孔隙率为25-85％，例如30-80％，又如40-70％。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述多孔陶瓷的抗压强度为50～500MPa，例如100～400MPa，示例性为100MPa、200MPa、300MPa、400MPa、500MPa。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述多孔陶瓷的室温导热率为0.030～0.090W/m
·
K，例如0.040～0.080W/m
·
K，示例性为0.030W/m
·
K、0.045W/m
·
K、0.060W/m
·
K、0.070W/m
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K、0.080W/m
·
K。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述多孔陶瓷具有基本如图1所示的形貌。
[0012]本专利技术还提供上述多孔陶瓷的制备方法，包括如下步骤：将微纳米二氧化硅纤维、锆酸钆粉体、铝硼硅酸盐溶胶和分散剂在水中均匀分散，采用冰模板法和高温烧结制备得到所述多孔陶瓷。
[0013]根据本专利技术的实施方案，所述制备方法包括如下步骤：
[0014](1)将微纳米二氧化硅纤维均质分散在水中，向其中加入铝硼硅酸盐溶胶、锆酸钆粉体和分散剂，均匀分散后，得到混合物；
[0015](2)所述混合物在液氮中定向冷冻成型，待完全冻结后，进行冷冻干燥；
[0016](3)待冷冻干燥完成后，高温烧结冻干产物，得到所述多孔陶瓷。
[0017]根据本专利技术的实施方案，所述铝硼硅酸盐溶胶的制备过程包括：将正硅酸乙酯(TEOS)、六水氯化铝和硼酸分散于水中，混合搅拌反应制得。其中，所述硅酸乙酯、六水氯化铝和硼酸的质量比为(25～35):(8～17):1，例如(30～34):(10～15):1。其中，所述反应的时间为2-8h，例如3-6h，示例性为4h。
[0018]根据本专利技术的实施方案，所述锆酸钆粉体的粒径为50-5000nm，例如100-3000nm，示例性为200nm、350nm、700nm、1000nm、3000nm。
[0019]根据本专利技术的实施方案，所述微纳米二氧化硅纤维具有如上文所述的尺寸。
[0020]根据本专利技术的实施方案，所述分散剂选自聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙二醇等中的至少一种。
[0021]优选地，所述聚丙烯酸铵的数均分子量为2000-20000，例如5000-15000，示例性为20000。
[0022]优选地，所述聚丙烯酸钠的数均分子量为4000-6000，例如4500-5500，示例性为4000。
[0023]优选地，所述聚丙烯酰胺的数均分子量为20000-8000000，例如300000-7000000，示例性为200000、8000000。
[0024]优选地，所述聚乙二醇的数均分子量为2000-20000，例如5000-15000，示例性为20000。
[0025]根据本专利技术的实施方案，所述的铝硼硅酸盐溶胶、微纳米二氧化硅微纳米纤维、锆酸钆、分散剂和水的质量比为(18～30):(0.8～1.2):(10～30):(0.8～6):(40～60)，例如(20～28):(0.8～1.2):(15～25):(1～4):(45～55)。
[0026]根据本专利技术的实施方案，所述高温烧结的温度为800～1200℃，例如800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃。
[0027]根据本专利技术的实施方案，所述烧结的升温速率为2～5℃/min，例如2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min。
[0028]根据本专利技术的实施方案，所述高温烧结的时间为4～10h，例如5h、6h、7h、8h、9h、10h。
[0029]本专利技术还提供由上述方法制备得到的多孔陶瓷。
[0030]本专利技术还提供所述多孔陶瓷在热防护领域中的应用。优选作为热障涂层。
[0031]本专利技术的有益效果：
[0032]本专利技术提供了一种热导率较低、高孔隙率和高强度的微纳米二氧化硅纤维复合锆酸钆多孔陶瓷及其制备方法和应用。具体具有如下优点：
[0033](1)多孔陶瓷材料导热系数较低，可达0.030～0.090W/m
·
K，隔热性能优异。
[0034](2)多孔陶瓷材料抗压强度高，可达50-500Mpa，且材料孔隙率高。
[0035](3)多孔陶瓷制备工艺简单，易于实现产业化，操作简单，容易制造各种形状的多孔陶瓷材料。
附图说明
[0036]图1为实施例1制备的多孔陶瓷的SEM图。
具体实施方式
[0037]下文将结合具体实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷为微纳米二氧化硅纤维复合锆酸钆多孔陶瓷，其中锆酸钆作为陶瓷分散相，作为连续相的微纳米二氧化硅纤维为增强骨架材料，所述微纳米二氧化硅纤维之间、所述微纳米二氧化硅纤维与锆酸钆陶瓷之间、以及锆酸钆陶瓷微粒之间均与铝硼硅酸盐粘结剂形成键合。2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷的气孔有序分布在陶瓷材料中。3.根据权利要求1或2所述的多孔陶瓷，其特征在于，所述微纳米二氧化硅纤维与锆酸钆的质量比为(0.8～1.2):(10～30)。优选地，所述微纳米二氧化硅纤维的直径为0.09～5μm。4.根据权利要求1-3任一项所述的多孔陶瓷，其特征在于，所述多孔陶瓷的孔隙率为25-85％。优选地，所述多孔陶瓷的抗压强度为50～500MPa。优选地，所述多孔陶瓷的室温导热率为0.030～0.090W/m
·
K。优选地，所述多孔陶瓷具有基本如图1所示的形貌。5.权利要求1-4任一项所述多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将微纳米二氧化硅纤维、锆酸钆粉体、铝硼硅酸盐溶胶和分散剂在水中均匀分散，采用冰模板法和高温烧结制备得到所述多孔陶瓷。6.根据权利要求5所述多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将微纳米二氧化硅纤维均质分散在水中，向其中加入铝硼硅酸盐溶胶、锆酸钆粉体和分散剂，均匀分散后，得到混合物；(2)所述混合物在液氮中定向冷冻成型，待完全冻结后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志恒，杨帆，仇若翔，江正明，赵园，赵志钢，谢美英，薛丽燕，张阳，余数温，王凯先，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：