CN110252157A - 一种强化金属复合陶瓷膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种强化金属复合陶瓷膜及其制备方法，所述陶瓷膜依次包括基底层、过渡层和精密层；基底层由单质金属或合金粉末烧结；过渡层为单质金属或合金粉末，与复合或混合陶瓷粉末烧结的复合层；精密层包括碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末烧结的多孔陶瓷过滤层，精密层外侧经熔融盐离子交换。所述方法为：(1)在单质金属或合金粉末中，加入成型剂，混合，流延，烧结；(2)将单质金属或合金粉末，与复合或混合陶瓷粉末混合，流延，烧结；(3)将碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末喷涂，烧结，离子交换，水洗，干燥，即成。本发明陶瓷膜过滤精度高，通量大，孔径均匀，韧性高，耐热震，机械强度高，表面应力强化。本发明方法简单，成本低，适于工业生产。

Description

一种强化金属复合陶瓷膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷膜及其制备方法，具体涉及一种强化金属复合陶瓷膜及其制备方法。
背景技术
过滤分离行业对过滤材料的要求均为尽可能的提高过滤流量，同时降低过滤器本身的过滤阻力，从而降低生产能耗。然而，对过滤器而言，往往存在这样的矛盾：滤芯的滤材空隙大才能获得高过滤通量，但相对的导致了过滤精度的降低。而高精度滤材需要将滤材的过滤精度提升至亚微米甚至纳米级，势必会降低过滤通量。
现有技术为了得到高精度的滤芯均采用的是陶瓷材料烧结所得纳米级别精度的陶瓷滤芯。但是，这样的滤芯存在多孔陶瓷脆性大、耐热震性能差、机械强度低的特点。传统的陶瓷滤芯由于表面层的过滤精度很高，极易被溶液中的胶体颗粒因搭桥效应形成较为致密的滤饼层，一旦形成胶体性质的永久滤饼层，会导致周期的反吹清洗失效，最终引起过滤***无法正常过滤。
CN102659447A、CN105693276A公开了一种纯碳化硅陶瓷生产方法，该方法生产的滤芯属于传统的陶瓷滤芯生产方法，仍存在传统陶瓷滤芯脆性大，抗热震能力，滤芯容易断裂的问题。
CN102500245A公开了一种金属基陶瓷复合滤膜的制备方法，是将多孔金属膜在电解液中阳极氧化得到过渡层，然后将陶瓷粉末制备成浆料涂覆到过渡层上，得复合滤芯。实际上，该技术通过氧化所得过渡层和后面的陶瓷层都作为氧化物层，高温烧结后产品微观界面属于金属直接过渡到陶瓷涂层，这样结构的滤芯在变温环境中，由于金属和陶瓷膨胀系数不一致，会直接导致陶瓷涂层的剥落失效。而滤芯产品在烧结过程中本身是一个从高温到常温的过程，该过程使得采用该方法几乎无法大批量生产出合格的产品。因此，该方法并没有彻底解决金属层和陶瓷层在温度应力下的剥落问题。
CN109364583A公开了一种工业净化用Ti-Ti6Si4外壁光型金属过滤膜管材的制备方法，是用金属钛粉末和金属硅粉末共同烧结，得金属钛/Ti6Si4金属陶瓷复合滤芯。但是，该方法存在应用范围受限的问题：首先，该方法只适用于金属钛和Ti6Si4金属化合物的复合，对于其它金属和陶瓷粉末的复合无效，尤其当过滤体系含有氟离子和强碱性介质时，这种滤芯很容易发生腐蚀破坏；其次，生产该滤芯的原材料金属钛粉末和金属硅粉末都很难得到纳米级精度原材料，当需要制备纳米级精度的滤芯时，该方法难以解决高精度的问题；再次，该方法采用等静压工艺制备复合滤芯，滤芯的厚度尤其是精密过滤层无法做到很薄，因此，产品的过滤通量较小，同时反吹效果也较差。
综上，亟待找到一种克服传统陶瓷滤芯存在的脆性大、耐热震性能差、机械强度低、反吹性能差等缺陷的金属陶瓷复合滤膜技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种过滤精度高，过滤通量大，孔径均匀，厚度薄，韧性高，耐热震性能好，机械强度高，易反吹清洗，彻底消除热应力损坏，应用范围广的强化金属复合陶瓷膜。
本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种工艺简单，成本低，适宜于工业化生产的强化金属复合陶瓷膜的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种强化金属复合陶瓷膜，依次包括基底层、过渡层和精密层；所述基底层由单质金属或合金粉末烧结而成；所述过渡层为单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末烧结而成的复合层；所述精密层包括碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末烧结而成的多孔陶瓷过滤层，且精密层外侧经碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐离子交换。金属基底层主要起到提高滤膜机械强度和韧性的作用，防止滤芯的断裂；过渡层起到平滑金属基底层和陶瓷层之间的结合应力，提高滤芯的抗热震能力；精密层是陶瓷层，主要提供滤膜高的过滤精度，其过滤精度等同于陶瓷滤膜的过滤精度。
优选地，所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末中的碱金属元素与碱金属熔融盐的碱金属元素不完全相同或完全不同，且碱金属熔融盐的碱金属元素的直径≥碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末中碱金属元素的直径。以精密层由氧化锂掺杂陶瓷粉末烧结而成，氢氧化钠与氢氧化钾的混合熔融盐进行离子交换为例：精密层的氧化锂浓度相对较高，熔融盐中的氧化锂浓度为零，而熔融盐中的钾离子和钠离子浓度很高，在浓差效应的驱使下，精密层的锂离子向熔融盐扩散，而熔融盐中的钾离子和钠离子向精密层扩散；通过控制离子交换的时间可使精密层的锂离子浓度从内侧向外侧逐步降低，同时钾离子和钠离子在精密层的浓度从外侧向内侧逐步降低；由于钠离子和钾离子均比锂离子的半径大，使得精密层的表面相对于处理前产生压应力，该应力改变了精密层原有的应力状态，从而有效的调节并提高了陶瓷膜中陶瓷和金属层的结合力，从而强化了陶瓷膜中精密层的抗冲击能力。
优选地，所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末引入的碱金属元素的含量从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低。
优选地，除与碱金属氧化物相同的碱金属外，所述碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐引入的碱金属和/或稀土元素的含量从精密层外侧向精密层内侧逐渐降低。
由于熔融盐的碱金属和精密层掺杂的碱金属不完全相同或完全不同，从而在离子交换过程中，由于浓度差，发生了离子浓度的扩散，形成离子浓度梯度，进而实现陶瓷膜表面应力的强化。当碱金属熔融盐引入的碱金属之一与碱金属氧化物引入的碱金属之一相同时，碱金属氧化物引入的碱金属浓度趋势仍然是从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低，熔融盐中该相同碱金属的加入只是用于调节最终精密层中的钠、钾离子的比率。
优选地，所述碱金属熔融盐为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾等中的一种或几种。
优选地，所述稀土熔融盐为硝酸稀土、氧化物稀土或氯化物稀土等中的一种或几种。
更优选地，所述熔融盐为质量比为2～4:1的氢氧化钠和氢氧化钾的混合熔融盐，或质量比为10～200:20～60:1的氢氧化钠、氢氧化钾和稀土熔融盐的混合熔融盐。
优选地，所述基底层、过渡层和精密层的质量比为40～90:30～80:0.2～20(更优选40～90:30～80:0.5～5.0)。若基底层质量过大或过厚，则会增加滤膜过滤的阻力，若基底层质量过小或过薄，则会导致滤膜的强度不够，容易发生断裂；若过渡层质量过大或过厚，则层数过多，增加生产成本，若过渡层质量过小或过薄，则层数过少，难以有效的消除金属层和陶瓷层之间的应力；若精密层质量过大或过厚，则提高滤膜的阻力，若精密层质量过小或过薄，则其中的烧结缺陷难以完全消除。
优选地，所述过渡层中，单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末的质量比为95～5:5～95(更优选60～90:40～10)。金属滤膜具有强度高、韧性好等特点，但滤芯过滤精度不容易提高；而陶瓷滤芯虽然脆性大，抗热震能力低，但又很容易制备出纳米级精度的滤芯。若将两者结合可有效发挥两者的优点，同时避开两者的缺陷。
优选地，所述基底层、过渡层和精密层的厚度比为0.5～2.0:0.1～1.5:0.01～0.10(更优选0.8～1.8:0.3～1.3:0.02～0.08)。
优选地，所述过渡层由1～10层(更优选2～6层)组成。若过渡层的层数过少，则难以有效消除结合应力，若过渡层的层数过多，则会大幅度提高生产成本。
优选地，所述过渡层各层中，单质金属或合金，与复合陶瓷或混合陶瓷的质量比从基底层向精密层逐层降低。本发明过渡层的设计原理为：通过多层制备，并使得靠近金属基底层的过渡层中金属含量尽可能高，同时靠近精密多孔陶瓷过滤层的过渡层陶瓷含量尽可能高，使得滤芯的金属成分和陶瓷成分在两侧都呈梯度分布，金属和陶瓷之间含量的比例变化平滑，结构成分越相近结合应力就越低，从而有效降低金属基底层和精密陶瓷层的结合应力。
优选地，所述过渡层中各层的厚度为10～1500μm(更优选100～1000μm)。若过渡层过厚，则会提高生产成本，若过渡层过薄，则难以有效的消除金属层和陶瓷层之间的应力。
优选地，所述精密层中，所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末为碱金属氧化物与复合陶瓷或混合陶瓷粉末质量比为1:1～100(更优选1:2～50，进一步优选1:3～30)的混合物。若碱金属氧化物用量过少，则陶瓷膜可强化程度不够，若碱金属氧化物用量过大，则影响精密层的强度。
优选地，所述精密层中，多孔陶瓷过滤层的厚度为1～100μm。若精密层过厚，则会提高滤膜的阻力，若精密层过薄，则其中的烧结缺陷难以完全消除。
优选地，所述多孔陶瓷过滤层的平均孔径大小为5～100nm。
优选地，所述基底层和过渡层中，所述单质金属为单质铁、单质镍、单质铜或单质钛等。
优选地，所述基底层和过渡层中，所述合金为不锈钢、哈氏合金或铁铬铝合金等。
优选地，所述基底层中，所述单质金属或合金粉末的平均粒径为30～800目。若基底层金属粒径过低，虽然烧结产品空隙大，通量高，但机械强度会过低，若基底层金属粒径过大，虽然烧结产品强度高，但空隙小，过滤通量过低。
优选地，所述过渡层中，所述单质金属或合金粉末的平均粒径为30～2000目。由于陶瓷熔点比金属熔点更高，为了匹配过渡层中金属粉末和陶瓷粉末一起烧结的温度，陶瓷粉末需更细，相应的金属粉末的颗粒需较粗。
优选地，所述过渡层和精密层中，所述复合陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷或金属晶化合物等中的一类或几类的复合物。更优选地，复合氧化物陶瓷为氧化铝/氧化硅复合陶瓷、氧化铝/氧化锆复合陶瓷或氧化锆/氧化钇复合陶瓷等。
优选地，所述过渡层和精密层中，所述混合陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷或金属晶化合物等中的一类或几类的混合物。更优选地，混合氧化物陶瓷为氮化铝氮化硅混合陶瓷、氧化锆氧化铝混合陶瓷或氧化硅氧化锆混合陶瓷等。
优选地，所述过渡层和精密层中，所述复合陶瓷或混合陶瓷粉末的平均粒径为300～10000目。多孔陶瓷过滤层需具有最高的过滤精度，因此选择的陶瓷颗粒粒度也较细。
优选地，所述精密层中，所述碱金属氧化物的平均粒径为2000～10000目。
优选地，所述精密层还包括设于多孔陶瓷过滤层外侧的陶瓷颗粒修饰层。复合陶瓷或混合陶瓷粉末烧结而成的多孔陶瓷过滤层存在一定的烧结缺陷，通过凝胶浸渍在陶瓷层表面形成的陶瓷颗粒修饰层，由于毛细作用部分凝胶被多孔陶瓷过滤层的局部烧结裂纹吸收，烧结缺陷消失，最终使得滤膜的过滤精度提高。
优选地，所述陶瓷颗粒修饰层与多孔陶瓷过滤层的质量比为0.04～0.45:1。陶瓷颗粒修饰层的主要作用是修复多孔陶瓷过滤层制备过程中产生的烧结缺陷，若质量过大或厚度过厚，则会降低过滤通量，若质量过小或厚度过薄，则难以起到消除陶瓷层烧结缺陷的作用。
优选地，所述陶瓷颗粒修饰层由1～4层组成。
优选地，所述陶瓷颗粒修饰层中各层的厚度为1～30μm。
优选地，所述陶瓷颗粒修饰层由复合陶瓷或混合陶瓷粉末制成的凝胶烧结而成。
优选地，所述用于制成凝胶的复合陶瓷或混合陶瓷粉末的平均粒径为5～100nm。陶瓷颗粒修饰层具有最高的过滤精度，因此选择的陶瓷颗粒粒度也较细。
本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种强化金属复合陶瓷膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在单质金属或合金粉末中，加入成型剂，混合后，加热流延，真空烧结，得基底层；
(2)将单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末混合后，加热流延至步骤(1)所得基底层上，真空烧结，形成过渡层，得中间产品；
(3)将碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，真空烧结，形成多孔陶瓷过滤层，将多孔陶瓷过滤层的外侧置于碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐中进行离子交换，水洗，干燥，得强化金属复合陶瓷膜。
优选地，步骤(1)中，所述成型剂的用量相当于单质金属或合金粉末质量的0.1～20.0％(更优选0.5～15.0％)。若成型剂的用量过少，则难以正常的应用流延技术，若成型剂的用量过多，则会增加生产成本，同时引起产品碳含量超标。成型剂在烧结过程中会全部挥发或分解，基底层中不含有成型剂。
优选地，步骤(1)中，所述成型剂为聚乙二醇、聚烯烃、石蜡、聚丙烯酰胺、聚氨酯或甲基纤维素等中的一种或几种。
优选地，步骤(1)中，所述混合的温度为常温～150℃，时间为1～3h。若混合的时间过短，则难以有效的混合均匀，若混合的时间过长，则浪费设备资源和能源。
优选地，步骤(1)中，所述加热流延的温度为60～150℃，流延的速度为0.5～30m/min(更优选1～15m/min)。采用流延法更有利于批量制备出合格的基底层坯料，且制备出的基底层厚度均匀，容易实现工业化生产。若流延温度过高或速度过快，则浆料的粘度低，流延的厚度不易控制，若流延的温度过低或速度过慢，则流延设备出料不均匀，且影响生产效率。
优选地，步骤(1)中，所述真空烧结的温度为1000～1500℃(更优选1200～1400℃)，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～8h。真空烧结过程中会发生金属颗粒之间的粘结，使得基底层具有相应的机械强度。若真空烧结的温度过低或时间过短，则难以完成有效的烧结，若真空烧结的温度过高或时间过长，则多孔金属层会发生致密化，甚至金属基底层完全处于熔化状态，最终烧结得到钢板。
优选地，步骤(2)中，所述加热流延的温度为60～150℃(更优选80～120℃)，流延的速度为0.5～30m/min(更优选1～15m/min)。采用流延法更有利于批量制备出合格的过渡层，且制备出的过渡层厚度均匀，容易实现工业化生产。若流延温度过高或速度过快，则浆料的粘度低，流延的厚度不易控制，若流延的温度过低或速度过慢，则流延设备出料不均匀，且影响生产效率。
优选地，步骤(2)中，所述真空烧结的温度为1000～1500℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～12h(更优选2～10h)。真空烧结过程中会发生金属颗粒之间的粘结、陶瓷颗粒与金属粉末之间的粘结、陶瓷颗粒和陶瓷颗粒之间的粘结，使得过渡层具有相应的机械强度。若真空烧结的温度过低或时间过短，则难以完成有效的烧结，若真空烧结的温度过高或时间过长，则其中的金属颗粒会发生致密化。
优选地，步骤(2)中，重复粉末混合、加热流延、真空烧结的操作≥1次，获得多层过渡层。
优选地，步骤(3)中，所述真空烧结的温度为1200～1600℃(更优选1300～1500℃)，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～14h(更优选8～12h)。真空烧结过程中会发生陶瓷颗粒和陶瓷颗粒之间的粘结，并形成多孔陶瓷结构。若真空烧结的温度过低，则陶瓷层难以完成有效的烧结，若真空烧结的温度过高，则已经形成的基底层和过渡层中的金属成分可能会发生致密化，甚至熔化。
优选地，步骤(3)中，所述碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐与碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末的质量比为1～100:1(更优选5～50:1)。若碱金属氧化物用量过少，则陶瓷膜可强化程度不够，若碱金属氧化物用量过大，则影响精密层的强度。
优选地，步骤(3)中，所述离子交换的温度为200～800℃(更优选400～700℃)，时间为0.5～8.0h(更优选1～5h)。若离子交换的温度过低，则离子交换难以实现，若离子交换的温度过高，则熔融盐会对金属复合陶瓷膜的金属基底层发生腐蚀；若离子交换的时间过短，则离子交换不充分，应力可强化程度不够，若离子交换的时间过长，则离子交换过于充分甚至达到平衡状态，精密层各处交换的碱金属离子浓度均匀，难以实现交换离子的梯度变化，应力强化适得其反。
优选地，步骤(3)中，在离子交换之前，于多孔陶瓷过滤层的外侧，浸渍复合陶瓷或混合陶瓷粉末制成的凝胶，真空烧结，形成陶瓷颗粒修饰层。
优选地，所述浸渍的温度为50～80℃，时间为0.5～15min(更优选6～12min)。若浸渍的温度过低或时间过短，则凝胶的粘度较大，不易均匀浸渍，若浸渍的温度过高或时间过长，则凝胶在空气中容易发生脱水失去稳定性。
优选地，所述凝胶的质量分数为1～50％(更优选5～30％)。若凝胶的质量分数过低，则需要的浸渍次数增加，若凝胶的质量分数过高，则凝胶不稳定。
优选地，所述真空烧结的温度为1200～1600℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～14h(更优选4～10h)。真空烧结过程中，由于毛细管原理优先浸渍到陶瓷层缺陷中的凝胶和沉积在多孔陶瓷过滤层上的凝胶发生陶瓷颗粒间的烧结。若真空烧结的温度过低，则陶瓷凝胶难以完成有效的烧结，若真空烧结的温度过高，则已经形成的基底层和过渡层中的金属成分可能会发生致密化，甚至熔化。
优选地，重复浸渍、真空烧结的操作≥1次，获得多层陶瓷颗粒修饰层。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明强化金属复合陶瓷膜的过滤精度可高达1～50nm，过滤通量可达500～3000L/h；孔径均匀，具有远高于金属滤膜的精度、孔径均匀性指标；
(2)本发明强化金属复合陶瓷膜可通过改变交换离子的类型和离子交换的时间，来控制陶瓷膜表面强化程度，从而控制表面陶瓷涂层的拉应力、无应力或者张应力状态来满足不同应力场合的需求；
(3)本发明强化金属复合陶瓷膜具有厚度薄，由于结构设计上具有金属、陶瓷相成分连续变化的特点，故兼具金属相、陶瓷相韧性高，耐热震性能好，机械强度高，易反吹清洗的优点，并在变温环境下使用时，可有效抵抗温度变化引起的损坏；
(4)本发明强化金属复合陶瓷膜可广泛应用于工业废水、高温腐蚀性烟气净化等领域，也能应用于各种具有剧烈温度变化的过滤***；
(5)本发明方法工艺简单，成本低，适宜于工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的氮化铝氮化硅混合陶瓷粉末中氮化铝与氮化硅的质量比为72:27，氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末中氧化铝与氧化硅的质量比为73:24，氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末中氧化锆与氧化铝的质量比为10:90；本发明实施例所使用的原料或化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
一种强化金属复合陶瓷膜实施例1
所述强化金属复合陶瓷膜依次包括90kg基底层、30kg过渡层和0.55kg精密层；
所述基底层由平均粒径50目的单质钛粉末烧结而成；所述基底层的厚度为1800μm；
所述过渡层由1层组成，为平均粒径800目的单质钛粉末与平均粒径3000目的氮化铝氮化硅混合陶瓷粉末以质量比为70:30烧结而成的复合层；所述过渡层的厚度为750μm；
所述精密层为0.05kg、平均粒径为2000目的氧化锂与0.5kg、平均粒径5000目的氮化铝氮化硅混合陶瓷粉末混合物烧结而成的多孔陶瓷过滤层，且精密层外侧经质量比为3:1的氢氧化钠和氢氧化钾的混合熔融盐离子交换；锂元素的含量从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低，钾、钠元素的含量从精密层外侧向精密层内侧逐渐降低；所述多孔陶瓷过滤层的厚度为20μm；所述多孔陶瓷过滤层的平均孔径大小为50nm。
一种强化金属复合陶瓷膜实施例2
所述强化金属复合陶瓷膜依次包括50kg基底层、45kg过渡层和2.11kg精密层；
所述基底层由平均粒径400目的不锈钢310S粉末烧结而成；所述基底层的厚度为1200μm；
所述过渡层由3层组成，从基底层向精密层，第1层为平均粒径500目的不锈钢310S粉末与平均粒径5000目的氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末以质量比为90:10烧结而成的复合层，第2层为平均粒径750目的不锈钢310S粉末与平均粒径5000目的氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末以质量比为50:50烧结而成的复合层，第3层为平均粒径800目的不锈钢310S粉末与平均粒径8000目的氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末以质量比为10:90烧结而成的复合层；所述过渡层各层的厚度为350μm；
所述精密层包括0.1kg、平均粒径为2000目的氧化锂，0.01kg、平均粒径为3000目的氧化钠与1.9kg平均粒径10000目的氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末混合物烧结而成的多孔陶瓷过滤层和0.1kg设于多孔陶瓷过滤层外侧，由平均粒径100nm的氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末制成的凝胶烧结而成的陶瓷颗粒修饰层；且精密层外侧经质量比为150:50:1的氢氧化钠、氢氧化钾和硝酸镧的混合熔融盐离子交换；锂、钠元素的含量从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低，钾、镧元素的含量从精密层外侧向精密层内侧逐渐降低；所述多孔陶瓷过滤层的厚度为45μm；所述多孔陶瓷过滤层的平均孔径大小为10nm；所述陶瓷颗粒修饰层由1层组成，厚度为25μm。
一种强化金属复合陶瓷膜实施例3
所述强化金属复合陶瓷膜依次包括40kg基底层、60kg过渡层和0.65kg精密层；
所述基底层由平均粒径300目的哈氏合金粉末烧结而成；所述基底层的厚度为1100μm；
所述过渡层由2层组成，从基底层向精密层，第1层为平均粒径200目的哈氏合金粉末与平均粒径3000目的氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末以质量比为70:30烧结而成的复合层，第2层为平均粒径800目的哈氏合金粉末与平均粒径3000目的氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末以质量比为20:80烧结而成的复合层；所述过渡层各层的厚度为650μm；
所述精密层包括0.15kg、平均粒径为4000目的氧化锂与0.45kg平均粒径10000目的氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合物烧结而成的多孔陶瓷过滤层和0.05kg设于多孔陶瓷过滤层外侧，由平均粒径20nm的氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末制成的凝胶烧结而成的陶瓷颗粒修饰层；且精密层外侧经质量比为20:30:1的氢氧化钠、氢氧化钾和氯化镧的混合熔融盐离子交换；锂元素的含量从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低，钠、钾、镧元素的含量从精密层外侧向精密层内侧逐渐降低；所述多孔陶瓷过滤层的厚度为30μm；所述多孔陶瓷过滤层的平均孔径大小为5nm；所述陶瓷颗粒修饰层由2层组成，厚度由内向外依次为5μm、3μm。
一种强化金属复合陶瓷膜的制备方法实施例1
(1)在90kg单质钛粉末中，加入0.45kg甲基纤维素，常温下混合3h后，在90℃，4m/min下，加热流延，在1300℃，3×10-3Pa下，真空烧结6h，得基底层；
(2)将21kg单质钛粉末与9kg氮化铝氮化硅混合陶瓷粉末混合后，在90℃，4m/min下，加热流延至步骤(1)所得基底层上，在1400℃，3×10-3Pa下，真空烧结10h，形成过渡层，得中间产品；
(3)将0.05kg氧化锂与0.5kg氮化铝氮化硅混合陶瓷粉末混合物喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，在1400℃，5×10-3Pa下，真空烧结8h，形成多孔陶瓷过滤层，将多孔陶瓷过滤层的外侧置于3kg氢氧化钠和1kg氢氧化钾的混合熔融盐中，在550℃下，进行离子交换2h，水洗，干燥，得强化金属复合陶瓷膜1。
经检测，本发明实施例所得强化金属复合陶瓷膜1的过滤精度为50nm，过滤通量为2000L/h；孔径均匀，具有远高于金属滤芯的精度、孔径均匀性指标；且韧性高，机械强度高，易反吹清洗。
一种强化金属复合陶瓷膜的制备方法实施例2
(1)在50kg不锈钢310S粉末中，加入7.5kg聚丙烯/石蜡(质量比为1:1)，在150℃下，混合2h后，在130℃，5m/min下，加热流延，在1320℃，5×10-2Pa下，真空烧结3h，得基底层；
(2)将13.5kg不锈钢310S粉末与1.5kg氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末混合后，在120℃，5m/min下，加热流延至步骤(1)所得基底层上，在1450℃，5×10-2Pa下，真空烧结4h，形成第1层过渡层；
将7.5kg不锈钢310S粉末与7.5kg氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末混合后，在120℃，5m/min下，加热流延至第1层过渡层上，在1450℃，5×10-2Pa下，真空烧结5h，形成第2层过渡层；
将1.5kg不锈钢310S粉末与13.5kg氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末混合后，在120℃，5m/min下，加热流延至第2层过渡层上，在1450℃，5×10-2Pa下，真空烧结6h，形成第3层过渡层，得中间产品；
(3)将0.1kg氧化锂、0.01kg氧化钠与1.9kg氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末混合物喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，在1500℃，5×10-2Pa下，真空烧结10h，形成多孔陶瓷过滤层；
于多孔陶瓷过滤层的外侧，在80℃下，浸渍氧化铝/氧化硅复合陶瓷粉末制成的质量分数30％的凝胶6min，在1500℃，5×10-2Pa下，真空烧结4h，形成陶瓷颗粒修饰层；
将陶瓷颗粒修饰层的外侧置于15kg氢氧化钠、5kg氢氧化钾和0.1kg硝酸镧的混合熔融盐中，在550℃下，进行离子交换2h，水洗，干燥，得强化金属复合陶瓷膜2。
经检测，本发明实施例所得强化金属复合陶瓷膜2的过滤精度为10nm，过滤通量为800L/h；孔径均匀，具有远高于金属滤芯的精度、孔径均匀性指标；且韧性高，机械强度高，易反吹清洗。
一种强化金属复合陶瓷膜的制备方法实施例3
(1)在40kg哈氏合金粉末中，加入0.3kg聚丙烯酰胺，常温下混合1h后，在80℃，8m/min下，加热流延，在1400℃，1×10-2Pa下，真空烧结2h，得基底层；
(2)将21kg哈氏合金粉末与9kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合后，在80℃，8m/min下，加热流延至步骤(1)所得基底层上，在1100℃，4×10-2Pa下，真空烧结4h，形成第1层过渡层；
将6kg哈氏合金粉末与24kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合后，在80℃，8m/min下，加热流延至第1层过渡层上，在1300℃，4×10-2Pa下，真空烧结8h，形成第2层过渡层，得中间产品；
(3)将0.15kg氧化锂与0.45kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合物喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，在1300℃，4×10-2Pa下，真空烧结12h，形成多孔陶瓷过滤层；
于多孔陶瓷过滤层的外侧，在60℃下，浸渍氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末制成的质量分数10％的凝胶12min，在1500℃，6×10-2Pa下，真空烧结8h，形成第1层陶瓷颗粒修饰层；
于第1层陶瓷颗粒修饰层的外侧，在60℃下，浸渍氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末制成的质量分数6％的凝胶10min，在1400℃，6×10-2Pa下，真空烧结5h，形成第2层陶瓷颗粒修饰层；
将陶瓷颗粒修饰层的外侧置于10kg氢氧化钠、15kg氢氧化钾和0.5kg氯化镧的混合熔融盐中，在600℃下，进行离子交换3.5h，水洗，干燥，得强化金属复合陶瓷膜3。
经检测，本发明实施例所得强化金属复合陶瓷膜3的过滤精度为5nm，过滤通量为1500L/h；孔径均匀，具有远高于金属滤芯的精度、孔径均匀性指标；且韧性高，机械强度高，易反吹清洗。
对比例1
(1)在40kg哈氏合金粉末中，加入0.3kg聚丙烯酰胺，常温下混合1h后，在80℃，8m/min下，加热流延，在1400℃，1×10-2Pa下，真空烧结2h，得基底层；
(2)将21kg哈氏合金粉末与9kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合后，在80℃，8m/min下，加热流延至步骤(1)所得基底层上，在1100℃，4×10-2Pa下，真空烧结4h，形成第1层过渡层；
将6kg哈氏合金粉末与24kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末混合后，在80℃，8m/min下，加热流延至第1层过渡层上，在1300℃，4×10-2Pa下，真空烧结8h，形成第2层过渡层，得中间产品；
(3)将0.6kg氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，在1300℃，4×10-2Pa下，真空烧结12h，形成多孔陶瓷过滤层；
在多孔陶瓷过滤层的外侧，在60℃下，浸渍氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末制成的质量分数10％的凝胶12min，在1500℃，6×10-2Pa下，真空烧结8h，形成第1层陶瓷颗粒修饰层；
在第1层陶瓷颗粒修饰层的外侧，在60℃下，浸渍氧化锆氧化铝混合陶瓷粉末制成的质量分数6％的凝胶10min，在1400℃，6×10-2Pa下，真空烧结5h，形成第2层陶瓷颗粒修饰层，得金属复合陶瓷膜1。
将本发明强化金属复合陶瓷膜1～3、市售陶瓷膜与对比例1未强化的金属复合陶瓷膜1按照GB4742-B4进行抗冲击性能对比实验，各滤膜样品数为5个，分别测试不同样品的冲击韧性值，结果如表1所示。
表1本发明强化金属复合陶瓷膜1～3与市售陶瓷膜和金属复合陶瓷膜1的冲击韧性对比表
由表1可知，本发明强化金属复合陶瓷膜1～3在冲击韧性测试中分别比市售陶瓷滤芯提高约40～140％，140～270％，200～370％；本发明强化金属复合陶瓷膜3相较于没有进行离子交换处理的对比例1金属复合陶瓷膜1，冲击韧性提高约100～210％，说明本发明强化金属复合陶瓷膜1～3经过强化后，冲击韧性大幅度提高。

Claims (10)

1.一种强化金属复合陶瓷膜，其特征在于：依次包括基底层、过渡层和精密层；所述基底层由单质金属或合金粉末烧结而成；所述过渡层为单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末烧结而成的复合层；所述精密层包括碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末烧结而成的多孔陶瓷过滤层，且精密层外侧经碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐离子交换。
2.根据权利要求1所述强化金属复合陶瓷膜，其特征在于：所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末中的碱金属元素与碱金属熔融盐的碱金属元素不完全相同或完全不同，且碱金属熔融盐的碱金属元素的直径≥碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末中碱金属元素的直径；所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末引入的碱金属元素的含量从精密层内侧向精密层外侧逐渐降低；除与碱金属氧化物相同的碱金属外，所述碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐引入的碱金属和/或稀土元素的含量从精密层外侧向精密层内侧逐渐降低；所述碱金属熔融盐为氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种；所述稀土熔融盐为硝酸稀土、氧化物稀土或氯化物稀土中的一种或几种；所述熔融盐为质量比为2～4:1的氢氧化钠和氢氧化钾的混合熔融盐，或质量比为10～200:20～60:1的氢氧化钠、氢氧化钾和稀土熔融盐的混合熔融盐。
3.根据权利要求1或2所述强化金属复合陶瓷膜，其特征在于：所述基底层、过渡层和精密层的质量比为40～90:30～80:0.2～20；所述过渡层中，单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末的质量比为95～5:5～95；所述基底层、过渡层和精密层的厚度比为0.5～2.0:0.1～1.5:0.01～0.10；所述过渡层由1～10层组成；所述过渡层各层中，单质金属或合金，与复合陶瓷或混合陶瓷的质量比从基底层向精密层逐层降低；所述过渡层中各层的厚度为10～1500μm；所述精密层中，所述碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末为碱金属氧化物与复合陶瓷或混合陶瓷粉末质量比为1:1～100的混合物；所述精密层中，多孔陶瓷过滤层的厚度为1～100μm；所述多孔陶瓷过滤层的平均孔径大小为5～100nm。
4.根据权利要求1～3之一所述强化金属复合陶瓷膜，其特征在于：所述基底层和过渡层中，所述单质金属为单质铁、单质镍、单质铜或单质钛；所述合金为不锈钢、哈氏合金或铁铬铝合金；所述基底层中，所述单质金属或合金粉末的平均粒径为30～800目；所述过渡层中，所述单质金属或合金粉末的平均粒径为30～2000目；所述过渡层和精密层中，所述复合陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷或金属晶化合物中的一类或几类的复合物；所述过渡层和精密层中，所述混合陶瓷为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷或金属晶化合物中的一类或几类的混合物；所述过渡层和精密层中，所述复合陶瓷或混合陶瓷粉末的平均粒径为300～10000目；所述精密层中，所述碱金属氧化物的平均粒径为2000～10000目。
5.根据权利要求1～4之一所述强化金属复合陶瓷膜，其特征在于：所述精密层还包括设于多孔陶瓷过滤层外侧的陶瓷颗粒修饰层；所述陶瓷颗粒修饰层与多孔陶瓷过滤层的质量比为0.04～0.45:1；所述陶瓷颗粒修饰层由1～4层组成；所述陶瓷颗粒修饰层中各层的厚度为1～30μm；所述陶瓷颗粒修饰层由复合陶瓷或混合陶瓷粉末制成的凝胶烧结而成；所述用于制成凝胶的复合陶瓷或混合陶瓷粉末的平均粒径为5～100nm。
6.一种如权利要求1～5之一所述强化金属复合陶瓷膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在单质金属或合金粉末中，加入成型剂，混合后，加热流延，真空烧结，得基底层；
(2)将单质金属或合金粉末，与复合陶瓷或混合陶瓷粉末混合后，加热流延至步骤(1)所得基底层上，真空烧结，形成过渡层，得中间产品；
(3)将碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末喷涂于步骤(2)所得中间产品的过渡层上，真空烧结，形成多孔陶瓷过滤层，将多孔陶瓷过滤层的外侧置于碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐中进行离子交换，水洗，干燥，得强化金属复合陶瓷膜。
7.根据权利要求6所述强化金属复合陶瓷膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述成型剂的用量相当于单质金属或合金粉末质量的0.1～20.0％；所述成型剂为聚乙二醇、聚烯烃、石蜡、聚丙烯酰胺、聚氨酯或甲基纤维素中的一种或几种；所述混合的温度为常温～150℃，时间为1～3h；所述加热流延的温度为60～150℃，流延的速度为0.5～30m/min；所述真空烧结的温度为1000～1500℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～8h。
8.根据权利要求6或7所述强化金属复合陶瓷膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述加热流延的温度为60～150℃，流延的速度为0.5～30m/min；所述真空烧结的温度为1000～1500℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～12h；重复粉末混合、加热流延、真空烧结的操作≥1次，获得多层过渡层。
9.根据权利要求6～8之一所述强化金属复合陶瓷膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述真空烧结的温度为1200～1600℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～14h；所述碱金属熔融盐和/或稀土熔融盐与碱金属氧化物掺杂陶瓷粉末的质量比为1～100:1；所述离子交换的温度为200～800℃，时间为0.5～8.0h。
10.根据权利要求6～9之一所述强化金属复合陶瓷膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在离子交换之前，于多孔陶瓷过滤层的外侧，浸渍复合陶瓷或混合陶瓷粉末制成的凝胶，真空烧结，形成陶瓷颗粒修饰层；所述浸渍的温度为50～80℃，时间为0.5～15min；所述凝胶的质量分数为1～50％；所述真空烧结的温度为1200～1600℃，真空度为1×10-1～1×10-4Pa，时间为2～14h；重复浸渍、真空烧结的操作≥1次，获得多层陶瓷颗粒修饰层。
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