一种轻质高强的弹性陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种轻质高强的弹性陶瓷及其制备方法，属于多孔陶瓷制备技术领域，所述轻质高强弹性陶瓷由陶瓷纳米线相互粘结形成连续的多孔层状网络，所述轻质高强弹性陶瓷以陶瓷纳米线气凝胶为原材料，制备方法包括：形成层状结构，将陶瓷纳米线气凝胶置于模具中并进行轴向压缩；焊接陶瓷纳米线，高温无氧环境中保温处理，相互接触的陶瓷纳米线能够被纳米线表面的氧化层焊接起来，得到轻质高强的弹性陶瓷。陶瓷。陶瓷。

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强的弹性陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术属于多孔陶瓷材料制备
，具体涉及一种轻质高强的弹性陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]多孔陶瓷因兼具轻质、低导热、高比表面积、优异的化学和高温稳定性等特点，被广泛应用在隔热保温、热防护、高温过滤、吸附等领域。但由于材料的强度随着气孔率的增加而急剧下降，加上陶瓷存在天然的脆性问题，导致高气孔率陶瓷材料的力学可靠性低，在实际运输或使用过程中容易破碎。传统的制备高气孔率陶瓷的方法如直接发泡法、牺牲模板法和凝胶注模等方法得到的高气孔率陶瓷强度普遍偏低。如中国专利CN 110092650 A公开的发泡陶瓷及其制备方法，所获得的发泡陶瓷的气孔率最高达88％，但其强度较低，且仍然呈脆性。
[0003]近年来的研究发现，通过合理的材料选择和结构设计，能够极大地改善陶瓷的脆性问题，如ding等人通过将柔性纳米陶瓷单元组装成三维的块体，使得超高气孔率的陶瓷气凝胶在高压缩应变的情况下保持结构稳定性，但这类材料的强度太低(最高处于几十kPa级别)，难以进行实际应用。
[0004]因此，如何实现陶瓷在尽可能高的气孔率条件下，依然保持高的强度和可压缩性是决定多孔陶瓷在更广泛的领域得到实际应用的关键因素。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种轻质高强的弹性陶瓷及其制备方法，旨在解决当前弹性陶瓷材料强度低、脆性高的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
>[0007]本专利技术公开了一种轻质高强的弹性陶瓷，该弹性陶瓷具有层状结构，层内由高度交联的陶瓷纳米线相互搭接形成多孔连续网络，陶瓷纳米线之间形成固定的氧化硅节点；其中：
[0008]所述陶瓷纳米线的直径为30nm～3μm；
[0009]该弹性陶瓷的体积密度为0.10～0.50g/cm3。
[0010]由于层状结构带来性能的各向异性，该轻质高强弹性陶瓷在垂直于层的方向上具有压缩回弹性，能够在承受大的压缩应变(60％)下仍保持结构不坍塌，在40％的压缩应变下，载荷去除后形状几乎能够完全回复，在应变为40％时，对应的压缩应力为0.4～14.2MPa,同时又具有低的热导率(0.071～0.121W/m
·
K)。
[0011]优选地，所述陶瓷纳米线的直径为30nm～300nm。
[0012]进一步优选地，陶瓷纳米线的直径为30nm
‑
1μm，更优选为30nm
‑
300nm。
[0013]优选地，所述陶瓷纳米线为碳化硅(SiC)纳米线或氮化硅(Si3N4)纳米带。选择高长径比的陶瓷纳米线具有优良的变形能力，由陶瓷纳米线作为基本构造单元所制备的纳米线
网络也具有优良的变形能力，能够克服传统多孔陶瓷易碎的缺点。
[0014]进一步优选地，原料SiC纳米线和Si3N4纳米带均具有核壳结构，其表面有一层厚度为5nm～30nm厚的氧化层，所述氧化层为氧化硅，该氧化层用于粘接互相搭接的陶瓷纳米线。
[0015]本专利技术还公开了上述的轻质高强的弹性陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0016]1)形成层状结构：以陶瓷纳米线气凝胶为原料，将其装填于模具中，进行轴向压缩，形成层状结构；
[0017]2)焊接陶瓷纳米线：将步骤1)得到的层状结构高温无氧环境中保温至少0.5小时再冷却至室温，制得轻质高强的弹性陶瓷。
[0018]优选地，所述高温无氧环境的温度为1100℃～1600℃。
[0019]优选地，所述高温无氧环境选择本领域技术人员熟知的保护气氛，更进一步优选地，高温无氧环境选择氮气环境。
[0020]优选地，还包括对制得的轻质高强的弹性陶瓷在空气气氛下进行热处理的操作，通过热处理增加弹性陶瓷中陶瓷纳米线表面的氧化层厚度，从而进一步降低弹性陶瓷的热导率，使弹性陶瓷的热导率降低幅度达到35％。
[0021]更进一步优选地，所述热处理温度为1000℃～1200℃。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术公开了一种轻质高强的弹性陶瓷，具有层状结构和低的体积密度(0.10～0.50g/cm3)，层内是由高度交联的直径为30nm～3μm陶瓷纳米线相互搭接形成的多孔连续网络，陶瓷纳米线表面的氧化层可充当粘结剂的作用，将相互接触的陶瓷纳米线焊接起来，形成具有固定节点的多孔陶瓷纳米线网络。一方面，高长径比的陶瓷纳米线具有优良的变形能力，由陶瓷纳米线作为基本构造单元所制备的纳米线网络也具有优良的变形能力，能够克服传统多孔陶瓷易碎的缺点；另一方面，层状结构带来性能的各向异性，该轻质高强弹性陶瓷在垂直于层的方向上具有压缩回弹性，能够在承受大的压缩应变(60％)下仍保持结构不坍塌，在40％的压缩应变下，载荷去除后形状几乎能够完全回复，在应变为40％时，对应的压缩应力为0.4～14.2MPa,同时又具有低的热导率(0.071～0.121W/m
·
K)，适合作为新一代隔热瓦。因此，本专利技术制备的轻质高强的弹性陶瓷同时具备高气孔率、低密度、高强度、可加工、可压缩回弹、高比表面积、低热导率和优异的高温稳定性等特点，可用于隔热防火、催化剂载体、高温过滤等领域。
[0024]本专利技术公开的上述轻质高强的弹性陶瓷的制备方法，该方法只需要将陶瓷纳米线进行轴向压缩形成层状结构，再在高温无氧环境中保温处理，相互接触的陶瓷纳米线能够被纳米线表面的氧化层焊接起来，即能制备得到轻质高强的弹性陶瓷。该方法有效避免了传统制备工艺中所涉及的原料分散性的问题，且无需添加粘结剂，工艺简单，对设备要求低，制备效率高，易于生产各种形状和尺寸的高气孔率陶瓷。
附图说明
[0025]图1为轻质高强弹性陶瓷的微观形貌图；
[0026]图2为轻质高强弹性陶瓷的微观形貌图；
[0027]图3为轻质高强弹性陶瓷的TEM及相应的元素面分布图；
[0028]图4为轻质高强弹性陶瓷在垂直于层的方向上的应力应变曲线；其中，(a)为密度为100mg/cm3的弹性陶瓷所对应的应力图；(b)为密度为100mg/cm3的弹性陶瓷所对应的应力图；(c)密度为100mg/cm3的弹性陶瓷所对应的应力图。
具体实施方式
[0029]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0030]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强的弹性陶瓷，其特征在于，该弹性陶瓷具有层状结构，层内由高度交联的陶瓷纳米线相互搭接形成多孔连续网络，陶瓷纳米线之间形成固定的氧化硅节点；其中：所述陶瓷纳米线的直径为30nm～3μm；该弹性陶瓷的体积密度为0.10～0.50g/cm3。2.根据权利要求1所述的轻质高强的弹性陶瓷，其特征在于，所述陶瓷纳米线的直径为30nm～300nm。3.根据权利要求1所述的轻质高强的弹性陶瓷，其特征在于，所述陶瓷纳米线为碳化硅纳米线或氮化硅纳米带。4.根据权利要求1所述的轻质高强的弹性陶瓷，其特征在于，所述陶瓷纳米线具有核壳结构，陶瓷纳米线的表面是一层厚度为5nm～30nm的氧化层；该氧化层用于粘接互相搭接的陶瓷纳米线。5.根据权利要求1所述的轻质高强的弹性陶瓷，其特征在于，该轻质高强的弹性陶瓷在垂直方向上具有压缩回弹性，在应变为40％时，对应的压缩应力为0.4～14.2MPa。6.权利要求1～5中任意一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红洁，冯靖雅，侯丽娟，涂昂，易振宇，卢德，苏磊，牛敏，庄磊，彭康，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：