CN101712561A

CN101712561A - 一种粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法

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Publication number: CN101712561A
Application number: CN200910193875A
Authority: CN
Inventors: 吴荣标; 陈钢军; 余晋彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2010-05-26

Abstract

一种粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于包括原料选择配比、混料造粒、等静压成型及烧成工艺，其中，按SiC占70-80wt％，伊利石粘土占7-20wt％，石墨占0-15wt％进行配料，SiC颗粒的粒径在200-450μm之间，石墨的粒径在50-250μm之间；所获得的造粒颗粒料在模具上成形为坯体，然后在100-400MPa的等静压压机中对坯体进行压制成型，最后进行烧结。本发明与已有技术相比，具有所制造出来的多孔陶瓷的孔隙率高、孔径大小、分布均匀、强度大，不变形、性能劣化程度低、使用寿命长、制造成本低的优点。

Description

一种粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法

技术领域：

本发明涉及一种过滤用多孔陶瓷的制作方法。

背景技术：

清洁燃煤技术中，如何处理高温粉尘气体是一难题，理想的方法是过滤除尘，其关键是过滤材料的选择，我国主要采用玻璃纤维做过滤材料，但它经受不了400℃以上高温，对其上温度烟气只能采用掺冷空气降温处理后再过滤的方法，降低了过滤效率。为了解决上述问题，人们又发明了刚性多孔陶瓷。高温除尘采用刚性多孔陶瓷，支撑体除要求具有一定的孔径大小、分布和孔隙率之外，还要求在高温下具有足够的机械强度，能经受反吹清洗的压力，在使用温度下不易变形。为此骨架料本身耐火度要高，且在使用温度下不会出现液相。另外一个要求是抗热震性能良好，能经受住反吹冷气的冷热循环冲击，保证使用寿命，为此采用低热膨胀系数材质是必要的，且经冷热冲击材质结构不会变化，抗蠕变性好。

专利200410023972发明一种热气体净化用高温陶瓷过滤元件，由陶瓷支撑体和其外表面的陶瓷纤维复合膜组成，成型用常规的热浇注成型工艺，支撑体采用堇青石为骨料，高温结合剂采用钾长石、锂辉石和滑石等强熔剂原料，且含量在10-30％，烧成温度为1230-1260℃，孔径在100-150um，气孔率35-40％，抗弯强度15-25MPa，高温热稳定性指标950-20℃循环冲击10次不裂，受陶瓷纤维复合膜自身物理性质所决定，陶瓷纤维复合膜容易受损，而受损后产品的性能就受到严重的影响；专利200510029152发明一种原位反应法制备莫来石结合的碳化硅多孔陶瓷的方法，成型采用双面加压压制方法，以石墨为造孔剂、氧化钇为烧结助剂，SiC高温下氧化生成SiO₂，再由生成的SiO₂直接与Al₂O₃颗粒原位反应生成莫来石，制备成莫来石结合的碳化硅多孔陶瓷，开口孔隙率为20-70％，最大抗弯强度可达27.5MPa，热膨胀系数6-9*10^-6K^-1。淬冷试验：将多孔陶瓷从1200℃的高温下突然进入20℃的冷水中，多孔陶瓷的强度从9.84MPa降低到4.09MPa，技术优点是添加Y₂O₃降低莫来石生成温度100℃，较高的孔隙率和强度、较低的热膨胀系数、良好的抗热冲击、且孔隙率和孔径大小可控，但是抗热震性能差，不能经受住反吹冷气的冷热循环冲击，使用寿命不好；专利200610119233采用凝胶包裹-冷冻干燥工艺制备碳化硅多孔陶瓷，己异丙醇铝和SiC为主要原料原位反应生成莫来石结合的碳化硅，机械搅拌制备成分散均匀的浆料，采用浇注成型，真空脱气，快速冷冻成型，低压环境将冰升华形成高孔隙率、孔径定向排列的多孔坯体，开口孔隙率在40-90％之间，孔径尺寸为1-500um，抗压强度在0.09-12.3MPa之间，发明优点是能制备高孔隙率、孔隙定向的微孔结构，兼具莫来石结合碳化硅陶瓷固有的高温性能好的特点，但是，抗压强度不够；专利200510003016发明了一种重结晶SiC高温气体过滤元件的制备方法，用特殊的双峰粒度分布堆积成孔与添加辅助造孔剂成孔相结合的方式成孔，等静压成型，压力20-200MPa，氩气保护烧结，烧成温度2000-2300℃，压力0.1-0.3MPa，SiC原料纯度98-99％，需经过提纯处理，平均孔径30-100um，孔隙率20-40％，抗弯强度15-35MPa，发明优点是SiC含量高达98.5％，不含结合剂，机械强度和结构稳定性极好，减轻了材料在工作环境下性能的退化，且重结晶SiC烧结不发生收缩，可以获得精确的制品尺寸并易于控制开孔的孔径及孔径分布范围，但是由于需要较高的成形温度，因此，工艺控制复杂，制造成本高。

上述的几种技术，虽然，在一些技术指标上能达到要求，但是，总有一些缺陷，使所制造出来的产品不能完全满足使用要求。

发明内容：

本发明的发明目的在于提供一种所制造出来的多孔陶瓷的孔隙率高、孔径大小、分布均匀、强度大，不变形、性能劣化程度低、使用寿命长、制造成本低的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法。

本发明是这样实现的，包括原料选择配比、混料造粒、等静压成型及烧成工艺，其中，

在原料选择配比中：

(a)按SiC占70-80wt％，伊利石粘土(伊利石粘土是一种富钾、高铝层状硅酸盐矿物，伊利石粘土是这种矿物的专业名称)占7-20wt％，石墨占0-15wt％进行配料，SiC颗粒的粒径在200-450um之间，石墨的粒径在50-250um之间；

(b)在(a)步骤所得的配合料中加入占配料总质量0.1-0.5wt％的聚乙烯醇PVA做成型粘接剂，加入配料总重1-5倍的水为分散介质，装入球磨罐混料；

(c)将步骤(b)所得浆料进行喷雾造粒，造粒料水分含量在2％以下，所获得的颗粒料在模具上成形为坯体，然后在100-400MPa的等静压压机中对坯体进行压制成型；

(d)将压制成型好的坯体干燥，然后在1300-1500℃的空气气氛下进行烧结。

本发明的烧结机理为液相烧结，利用伊利石的熔剂特性，在高温下形成液相，对SiC多孔陶瓷实现烧结，石墨为造孔剂。由于采用伊利石配合SiC进行烧结，这样，利用本发明制备的粘土粘接碳化硅多孔陶瓷具有以下优点：

(1)通过提高烧结温度，降低高温粘接剂的用量，能达到使材料的抗蠕变性能得到改善，又不试材料强度下降很多，相反通过工艺的弥补，能试强度得到提高；

(2)通过优选粘土材料，降低可发生相变的石英颗粒的含量，实现了多孔陶瓷抗冷热冲击性能的提高；

(3)提高等静压成型的压力，降低颗粒堆积对材料孔隙率和孔径分布的影响，造孔剂对孔隙率和孔径分布的单一控制，通过调节造孔剂颗粒大小及含量，实现孔隙率及孔径分布的可控性；坯体中含有一定量粘土，干坯强度高；

(4)本发明制备的产品综合性能优异，制备工艺简单，成本低，易于规模化生产。

这里，伊利石矿物粘土需经水洗除去有害石英粗颗粒，且可塑性指标需大于3.5kg/cm，K+Na质量百分比大于6.5％；

为了保证混合均匀并使破碎的物料颗粒符合要求，以氧化锆为球磨介质，球磨混料是的转速需在10-100转/分钟，球磨时间为0.5-20小时，料球比为1∶1-10；

喷雾干燥的干燥温度不超过80℃，需在900-1000℃之间进行中火保温1-10小时；

这里，SiC是α-SiC。

伊利石粘土原料，经水洗工艺除去含有的有害石英粗颗粒，并且1um以下颗粒占75％以上。

本发明与已有技术相比，具有所制造出来的多孔陶瓷的孔隙率高、孔径大小、分布均匀、强度大，不变形、性能劣化程度低、使用寿命长、制造成本低的优点。

具体实施方式：

现结合实施例对本发明作进一步详细描述：

在原料选择配比中：

(a)按SiC占70-80wt％，伊利石粘土占7-20wt％，石墨占0-15wt％进行配料，SiC是α-SiC，SiC颗粒的粒径在200-450um之间，石墨的粒径在50-250um之间，伊利石矿物粘土需经水洗除去有害石英粗颗粒，且可塑性指标需大于3.5kg/cm，K+Na质量百分比大于6.5％；

(b)在(a)步骤所得的配合料中加入占配料总质量0.1-0.5wt％的聚乙烯醇PVA做成型粘接剂，加入配料总重1-5倍的水为分散介质，装入球磨罐混料，以氧化锆为球磨介质，球磨混料是的转速需在10-100转/分钟，球磨时间为0.5-20小时，料球比为1∶1-10；

(c)将步骤(b)所得浆料进行喷雾造粒，喷雾干燥的干燥温度不超过80℃，需在900-1000℃之间进行中火保温1-10小时，造粒料水分含量在2％以下，造粒的颗粒大小是100-500um，所获得的颗粒料在模具上成形为坯体，然后在100-400MPa的等静压压机中对坯体进行压制成型；

本工艺制备出的SiC多孔陶瓷支撑体开孔孔隙率为30-60％，孔径为100-200um，抗弯强度20-30MPa，最高强度可达45MPa，体密度在1.0-2.0g/cm³之间，热膨胀系数在5-8*10^-6K^-1之间，抗热冲击性能好，将多孔陶瓷从1000℃的高温突然放入20℃的冷水中，依此循环，30次不开裂，将多孔陶瓷从1000℃的高温突然放入20℃的冷水中，强度从原来的22MPa下降到16MPa。本发明制造的元件在模拟真实运行环境下的加速老化试验中，材料经受300h的试验，强度未发生劣化。在20wt％的硫酸溶液中煮沸1小时，进行耐酸腐蚀试验，多孔陶瓷的失重为0.1wt％，将样品在1wt％的氢氧化钠溶液中煮沸1小时，多孔陶瓷的失重为4.2wt％。

Claims

1.一种粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于包括原料选择配比、混料造粒、等静压成型及烧成工艺，其中，

在原料选择配比中：

(a)按SiC占70-80wt％，伊利石粘土占7-20wt％，石墨占0-15wt％进行配料，SiC颗粒的粒径在200-450um之间，石墨的粒径在50-250um之间；

在混料造粒、等静压成型中：

在烧成工艺中：

2.根据权利要求1所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于伊利石粘土可塑性指标需大于3.5kg/cm，K+Na质量百分比大于6.5％。

3.根据权利要求1所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于在混料造粒、等静压成型中造粒的颗粒大小是100-500um。

4.根据权利要求1或2或3所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于以氧化锆为球磨介质，球磨混料是的转速需在10-100转/分钟，球磨时间为0.5-20小时，料球比为1∶1-10。

5.根据权利要求1或2或3所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于喷雾干燥的干燥温度不超过80℃，需在900-1000℃之间进行中火保温1-10小时。

6.根据权利要求4所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于喷雾干燥的干燥温度不超过80℃，需在900-1000℃之间进行中火保温1-10小时。

7.根据权利要求6所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于SiC是α-SiC。

8.根据权利要求7所述的粘土粘接制备SiC多孔陶瓷的方法，其特征在于伊利石粘土，经水洗工艺除去含有的有害石英粗颗粒，并且1um以下颗粒占75％以上。