一种氧化铝基多孔陶瓷材料的制备方法 【技术领域】
本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种有机硅树脂作为粘结剂的氧化铝基多孔陶瓷材料的制备方法。
背景技术
多孔陶瓷是一种经高温烧成、在成型与烧结过程中材料体内形成大量气孔的新型陶瓷材料，可以作为生物材料、催化剂载体材料、过滤材料、热交换器材料等使用。
氧化铝陶瓷以其制造成本低廉成为多孔陶瓷的首选材料。氧化铝除了来源广泛、价格相对低廉、制备技术成熟等特点外，还具有以下优良特性：(1)耐高温；(2)化学稳定性好；(3)耐磨损性能优良；(4)耐腐蚀；(5)机械强度高；(6)导热率低；(7)硬度大。氧化铝基多孔陶瓷作为一种性能优异、前景广阔的多孔陶瓷材料，其潜在应用可广泛分布于熔融金属过滤、热气体过滤、微孔膜、传感器、隔膜材料和固定化酶载体及保温隔热等行业。
氧化铝多孔陶瓷的主要制备方法有以下几种方法：1)添加造孔剂、易挥发物质工艺；2)挤压成型工艺；3)颗粒堆积成型工艺；4)发泡工艺；5)有机泡沫体浸渍工艺；6)溶胶-凝胶工艺等。这些传统的多孔陶瓷制备方法，除了需要大量的烧结助剂，还提高了烧结温度，较难获得纯度较高的氧化铝多孔陶瓷材料。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：提供一种比较简易的方法，在较低的温度下制备具有性能优异的氧化铝基多孔陶瓷材料，并开发一种新型的有机硅树脂裂解制备氧化铝基多孔陶瓷材料的新方法。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的氧化铝基多孔陶瓷材料的制备方法，是利用有机硅树脂作为粘结剂来制备氧化铝基多孔陶瓷材料，具体是按下述步骤进行：
(1)混合：将有机硅树脂作为粘结剂直接与氧化铝陶瓷粉料均匀混合，二者之体积配比为1∶1～4∶1。所述的体积配比是指纯有机硅树脂与氧化铝陶瓷粉料的体积配比；使用溶剂型有机硅树脂时，应根据其固含量将有机硅树脂含量换算成纯有机硅树脂再配料。
所述的有机硅树脂，可以采用能够溶解于有机溶剂的固体有机硅树脂，或者采用溶剂型有机硅树脂。还可以是以羟基封端的缩合型树脂，以苯基和甲基作为支链，分子量≥2000。
(2)前处理：将混合粉体在100～150℃处理3～24小时蒸发溶剂，同时脱去有机硅中的自由水，获得氧化铝陶包覆粉体；
(3)阶梯升温模压成型：采用阶梯升温模压工艺制度成型的方法将氧化铝陶包覆粉体成型，得到素坯；素坯中有机硅树脂的体积含量为50～80％。阶梯升温模压工艺制度是指：轴向加压10～60Mpa，温度制度为100～120℃保温0.5～1h；再升温至130～150℃保温0.5～2h；再升温至170～190℃保温0.5～2h；最后再升温至200～210℃保温0.5～1h。
(4)热处理和裂解：将素坯在800～1200℃惰性气氛保护下裂解，控制反应速率为100～300℃/小时和保温时间1～10小时，即得到所述氧化铝基多孔陶瓷材料。
所述惰性气氛是指氮气或氩气。
本发明制备的氧化铝陶瓷粉料的粒径为1～20μm。
本发明利用有机硅树脂的粘结性可以十分有效的与氧化铝颗粒形成包覆粉体，并促使氧化铝颗粒粘结，使素坯具有较好的机械性能。随着温度的升高，坯体中的有机硅树脂分子链不断重排产生大量玻璃相，起到粘结的作用，将Al2O3颗粒溶解包裹在其中，使相邻颗粒中心相互逼近，增加接触面积，颗粒之间发生粘合，提高了基体强度，同时形成一些封闭气孔，同时有机硅树脂分子链断裂形成连续的小气孔，提高了孔隙率。在整个过程中，有机硅树脂起同时到了粘结剂和造孔剂的作用，有效地节约了成本。
本发明利用有机硅裂解制备氧化铝基多孔陶瓷材料与传统方法相比还有以下优势：
其一.有机硅树脂裂解可以产生气体从而达到造孔的目的，可以通过控制实验工艺达到开孔/闭孔可控、孔隙率可控，获得较宽范围的孔径尺寸，不需要加入其他造孔剂。
其二.有机硅树脂是以Si-O-Si为主链的有机聚合物，裂解温度较低并具有粘结性，在制备陶瓷过程中无需添加其他粘结剂。
其三.有机硅树脂在整个制备过程中既起到了粘结剂的作用又起到了造孔剂的作用，这大大节省了烧结助剂的使用，减少了杂质的引入，可获得较纯的氧化铝陶瓷，并且也降低了生产成本。同时，有机硅树脂在裂解过程中形成大量的液相，降低了氧化铝的烧结温度。
其四.可重复性好、成本低，而且所制备的氧化铝基多孔陶瓷材料具有孔隙分布均匀、孔径尺度小、孔隙率高和力学强度较高等优异性能。
综上所述：本发明利用有机硅树脂裂解制备氧化铝基多孔陶瓷，可达到40％显气孔率，通过控制有机硅树脂与氧化铝的比例可达到显气孔率可控要求，并且具有成型工艺简单、烧成温度低等诸多优点，符合现代工业的需求。
【附图说明】
图1是本发明工艺流程示意图。
图2为实施例1产物的XRD图。
图3为实施例1产物的SEM图。
【具体实施方式】
本发明提供了一种有机硅树脂作为粘结剂的氧化铝基多孔陶瓷材料的制备方法，其工艺流程如图1所示：包括混合、前处理、模压成型、热处理和烧结工序。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
(1)将有机硅树脂与粒径小于20μm的氧化铝粉料按照重量比为4∶1进行均匀混合；
(2)通过阶梯升温模压工艺制度的方法成型，轴向加压60Mpa，温度制度为120℃，0.5h→150℃，1h→180℃，1h→200℃，0.5h；
(3)氮气气氛保护下于1200℃进行常压烧结，升温速率为120℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率25％，抗弯强度为57MPa，密度为2.03g/cm3的氧化铝基多孔陶瓷材料。
分析测试表明(见图2)：产物的主要物相为α-氧化铝和γ-氧化铝，仍然保持了原料的主要物相，没有发生相转变。但是，可明显的看出有机硅树脂在裂解过程中形成了一种Si-C-O的无定形态物质，减弱了氧化铝的衍射峰。这种无定形态的物质，提供了液相，降低了氧化铝的烧结温度，同时使得这种氧化铝基多孔陶瓷材料具有较高地力学强度。通过这种方法制备出来的氧化铝基多孔陶瓷材料孔隙分布比较均匀，孔隙率较高，孔径尺度较小。
分析测试表明(见图3)：制备出来的氧化铝基多孔陶瓷材料孔隙率较高，孔隙分布比较均匀，孔径尺度小。
实施例2：
(1)将有机硅树脂与粒径小于20μm的氧化铝粉料按照重量比为3.3∶1进行均匀混合；
(2)通过阶梯升温模压工艺制度的方法成型，轴向加压40Mpa，温度制度为120℃，1h→150℃，1h→180℃，1h→200℃，1h；
(3)氮气气氛保护下于1200℃进行裂解，升温速率为120℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率31％，抗弯强度为43MPa，密度为2.01g/cm3的氧化铝基多孔陶瓷材料。
实施例3：
(1)将有机硅树脂与粒径小于10μm的氧化铝粉料按照重量比为3.6∶1进行均匀混合；
(2)通过阶梯升温模压工艺制度的方法成型，轴向加压30Mpa，温度制度为120℃，0.5h→150℃，1h→180℃，1h→200℃，1h；
(3)氮气气氛保护下于1100℃进行裂解，升温速率为140℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率33％，抗弯强度为36MPa，密度为1.98g/cm3的氧化铝基多孔陶瓷材料。
实施例4：
(1)将有机硅树脂与粒径小于10μm的氧化铝粉料按照重量比为1.6∶1进行均匀混合；
(2)通过阶梯升温模压工艺制度的方法成型，轴向加压10Mpa，温度制度为120℃，0.5h→150℃，0.5h→180℃，1h→200℃，1h；
(3)氮气气氛保护下于1000℃进行裂解，升温速率为240℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率36％，抗弯强度为29MPa，密度为1.96g/cm3的氧化铝基多孔陶瓷材料。
实施例5：
(1)将有机硅树脂与粒径小于20μm的氧化铝粉料按照重量比为4∶1进行均匀混合；
(2)通过阶梯升温模压工艺制度的方法成型，轴向加压20Mpa，温度制度为120℃，0.5h→150℃，0.5h→180℃，1h→200℃，1h；
(3)氮气气氛保护下于800℃进行裂解，升温速率为240℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率34％，抗弯强度为32MPa，密度为1.96g/cm3的氧化铝基多孔陶瓷材料。
上述实施例2-5的分析测试结果同实施例1。