一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法及其制得的产品技术

本发明专利技术公开了一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法及其制得的产品，采用铝硅酸盐矿物

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法及其制得的产品


[0001]本专利技术涉及陶瓷材料
，尤其涉及一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法及其制得的产品。

技术介绍

[0002]冶金、建材、电力等行业每年产生大量的高温烟气含有大量未使用的热能，需要类似蜂窝陶瓷的多孔材料进行热能回收。莫来石质蜂窝陶瓷因具有耐火度高、抗腐蚀性强、力学性能好、热稳定性强等突出优点被应用于热能回收。然而，由于高温烟气含尘量高，在进行换热时尘粒冲刷换热器管壁及黏附在换热材料表面，甚至出现沉积堵塞等问题，极大地影响了换热设备的使用寿命及换热效率。
[0003]由于传统的莫来石蜂窝陶瓷在长期工作后，孔道壁内的微孔中仍然容易吸入粉尘，微孔的颈部塞积，从而降低蜂窝陶瓷的孔隙率、增大压力损失，以及降低对含尘废气过滤的处理效率且反清洗再生性能较差。因此，需要采用先进多孔涂膜技术对蜂窝陶表面进行改性，膜层的孔径比载体孔径更细，可以有效阻止微细粉尘进入孔道，增加过滤器在长期运行时的再生性和使用寿命。目前常见的膜材料为γ
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Al2O3，其具有比表面积高、成本低等优点，但是存在着热膨胀系数高(与蜂窝陶瓷基体匹配性差)、热稳定性差(易发生相转变)、强度低等缺点。因此，需要寻找一种新的膜材料进行替代。
[0004]氮化硅晶须具有高比表面积、稳定性好、抗氧化性强与低热膨胀系数等优点，如果能与莫来石质蜂窝陶瓷复合，将氮化硅晶须形成编织体涂覆在莫来石质蜂窝陶瓷表面，可形成比蜂窝陶瓷载体更小的孔径，并提高后者的比表面积、热导率与抗热震性。然而，氮化硅晶须的造价高、合成温度高。因此，需要提供一种低成本、合成温度低的氮化硅晶须膜层制备方法，从而提高莫来石质蜂窝陶瓷材料的各项性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法，采用铝硅酸盐矿物
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硅质原料
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金属铝
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金属硅
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碳为原料体系，以原位合成的方式和一步烧成获得莫来石质蜂窝陶瓷基体及对其改性的氮化硅晶须膜层，从而获得高性能、低成本的莫来石质蜂窝陶瓷。本专利技术的另一目的在于利用上述氮化硅晶须涂层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法制得的产品。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术提供的一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法，以基料、结合剂、润滑剂、反应基料为原料；
[0008]所述基料的组成为铝硅酸盐矿物50～70wt％、硅质原料0～15wt％、金属硅质原料5～15wt％、金属铝质原料5～10wt％、碳质原料5～15wt％、晶种0.1～1wt％、催化剂0.1～1wt％；
[0009]所述结合剂为碱性硅溶胶，或碱性硅溶胶与羧甲基纤维素(CMC)或羟丙基甲基纤维素(HPMC)的组合，结合剂的用量为基料的5～7wt％；润滑剂的用量为基料的3～5wt％；
[0010]所述反应基料的组成为硅质原料50～70wt％、金属硅质原料20～30wt％、金属铝质原料10～20wt％；
[0011]制备方法为：将所述基料混合后，加入结合剂混合均匀，再加入润滑剂和相对于基料用量为15～16wt％的水进行拌料、练泥、挤出成型、二次微波干燥后得到生坯，其中，第一次微波干燥至生坯的水分含量为5～8％，静置10～12h后，进行第二次微波干燥，至最终生坯的水分含量为＜1％；然后将所述生坯置于管式炉中的反应基料上，生坯的通孔与管式炉的通气方向平行，通氮气气氛烧结，升温时在150℃、400～700℃分别保温0.5～1h，烧结温度为1300～1400℃，烧成时间为1～3h，得到氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷。
[0012]进一步地，本专利技术所述铝硅酸盐矿物为高岭土、球土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土中的一种、二种、三种或四种组合；硅质原料为稻壳粉、石英粉、熔融石英粉中的一种或其组合；金属硅质原料为金属硅粉、多晶硅废料、单晶硅废料中的一种或其组合；金属铝质原料为金属铝粉和/或铝屑；碳质原料为石墨粉、炭粉、碳黑中的一种或其组合；晶种为纳米α
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氮化硅粉；催化剂为过渡金属Fe、Co、Ni粉中的一种或其组合；所述润滑剂为食用油。
[0013]进一步地，本专利技术所述铝硅酸盐类矿物的粒度为80～700目；硅质原料的粒度为80～325目；金属硅质原料的粒度为80～700目；金属铝质原料的粒度为80～325目；碳质原料的粒度为325～1000目；晶种的粒度为50～100纳米；催化剂的粒度为700～1000目。
[0014]上述方案中，本专利技术所述结合剂中碱性硅溶胶的用量为基料的3～5wt％。
[0015]利用上述氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法制得的产品，其气孔率≥55％、比表面积≥50m2/g、抗折强度≥60MPa、室温～1000℃热震循环30次不开裂。
[0016]本专利技术具有以下有益效果：
[0017](1)本专利技术采用梯级分段造孔的方案，可提高莫来石质蜂窝陶瓷的气孔率与比表面积，并以这些气孔为氮化硅晶须的生长空间。分段造孔工艺详解如下：首先，一次微波干燥后，利用碱性硅溶胶调整pH值与金属铝反应，形成产物H2气体与Al(OH)3，气体释放起到造孔的作用；然后，150℃左右利用Al(OH)3的分解产生水汽进行造孔；其次，利用铝硅酸盐矿物与硅溶胶在400～700℃分别释放结构水与硅醇间缩聚失水进行造孔；最后，利用烧成温度下含SiO2的矿物与金属铝质、金属硅质和碳质原料的各类氮化反应生成SiO与CO气体进行造孔。简而言之，通过不同温度下增加基体的灼减进行造孔，可使气孔均匀地分布在蜂窝陶瓷中，有效地提高了气孔率与比表面积，为烧成温度下合成晶须的气体逸出至表面创造了通道，也为晶须在陶瓷内部的生长创造了空间，提高了晶须的数量。
[0018](2)本专利技术为降低氮化硅晶须膜层的合成温度，采用了晶种+催化剂的组合，其中，纳米α
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氮化硅粉体作为晶种，有助于SiO、CO的沉积，促进氮化硅晶须生长；Fe、Co、Ni过渡金属粉烧成温度下熔融成液相，可作为催化剂促进α
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氮化硅晶种、SiO、Si、N2的溶解与析出。晶种+催化剂的组合一方面降低了氮化硅晶须的起始合成温度(现有技术为1400℃以上)至1240～1300℃，另一方面通过促进各类氮化反应，进一步提高了晶须的数量(α
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氮化硅含量＞30wt％)。
[0019](3)本专利技术采用反应基料辅助合成氮化硅晶须的方式，使能合成氮化硅晶须的气
体(SiO)经流过蜂窝陶瓷的通孔中，补充了蜂窝陶瓷可能由于高气孔率导致的气体逸出流失部分，也提高了蜂窝陶瓷表面氮化硅晶须膜层的数量及其比表面积。
[0020](4)本专利技术在蜂窝陶瓷的内部与表面协同生长氮化硅晶须及其膜层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法，其特征在于：以基料、结合剂、润滑剂、反应基料为原料；所述基料的组成为铝硅酸盐矿物50～70wt％、硅质原料0～15wt％、金属硅质原料5～15wt％、金属铝质原料5～10wt％、碳质原料5～15wt％、晶种0.1～1wt％、催化剂0.1～1wt％；所述结合剂为碱性硅溶胶，或碱性硅溶胶与羧甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素的组合，结合剂的用量为基料的5～7wt％；润滑剂的用量为基料的3～5wt％；所述反应基料的组成为硅质原料50～70wt％、金属硅质原料20～30wt％、金属铝质原料10～20wt％；制备方法为：将所述基料混合后，加入结合剂混合均匀，再加入润滑剂和相对于基料用量为15～16wt％的水进行拌料、练泥、挤出成型、二次微波干燥后得到生坯，其中，第一次微波干燥至生坯的水分含量为5～8％，静置10～12h后，进行第二次微波干燥，至最终生坯的水分含量为＜1％；然后将所述生坯置于管式炉中的反应基料上，生坯的通孔与管式炉的通气方向平行，通氮气气氛烧结，升温时在150℃、400～700℃分别保温0.5～1h，烧结温度为1300～1400℃，烧成时间为1～3h，得到氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷。2.根据权利要求1所述的氮化硅晶须膜层表面改性莫来石质蜂窝陶瓷的低温原位合成方法，其特征在于：所述铝硅酸盐矿物为高岭土、球土、...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳新斌，徐笑阳，涂治，邓宇洁，江伟辉，梁健，吴倩，虞澎澎，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：