三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，其是以多孔莫來石作為基體，以三維氧化鋁纖維織物作為增強(qiáng)體，基體主要由多孔骨架和粘接相組成，多孔骨架、粘接相分別由富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的莫來石和氧化硅組成。該陶瓷的制備包括：先使富硅莫來石溶膠經(jīng)高溫轉(zhuǎn)化得到富硅莫來石粉，再配制陶瓷漿料，調(diào)節(jié)pH值；用陶瓷漿料對(duì)三維氧化鋁纖維織物進(jìn)行真空浸漬，然后干燥，高溫預(yù)燒結(jié)；再以富硅莫來石溶膠為先驅(qū)體，對(duì)陶瓷粗坯進(jìn)行真空浸漬，凝膠化，再經(jīng)高溫陶瓷化，重復(fù)本步驟多次；最后進(jìn)行后續(xù)熱處理，制得本發(fā)明產(chǎn)品。本發(fā)明產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)異且高溫性能穩(wěn)定，制備工藝簡(jiǎn)單且能近凈尺寸成型。
【專利說明】三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化物陶瓷材料領(lǐng)域，尤其涉及一種三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)莫來石陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]莫來石陶瓷具有優(yōu)異的高溫抗氧化和抗蠕變性能，耐腐蝕性好，熱膨脹系數(shù)低，且其力學(xué)性能隨著溫度的升高而增加，被認(rèn)為是一種非常理想的耐高溫功能陶瓷。然而，莫來石陶瓷的室溫?cái)嗔秧g性較低(~2MPa.πι1/2)，這嚴(yán)重限制了其推廣應(yīng)用。利用連續(xù)纖維增強(qiáng)莫來石陶瓷，能顯著提高莫來石陶瓷的韌性，且連續(xù)纖維增強(qiáng)莫來石陶瓷可以采用液相法進(jìn)行制備，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。
[0003]氧化鋁纖維熔點(diǎn)高、耐化學(xué)腐蝕、力學(xué)性能和高溫抗氧化性能優(yōu)異，其被廣泛用作氧化物陶瓷基復(fù)合材料重要的增強(qiáng)纖維候選材料。利用連續(xù)纖維織物的骨架作用，可以通過液相法在相對(duì)較低的溫度下無壓燒結(jié)成型復(fù)合材料，此外，三維織物的強(qiáng)韌化方式具有整體性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、并且可以成型大型復(fù)雜構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)。因此，三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)莫來石陶瓷具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，通過液相法制備莫來石陶瓷基體的方法主要有兩種:一種是以液相先驅(qū)體(如硅鋁溶膠等)為原料，高溫轉(zhuǎn)化得到；另一種是以莫來石陶瓷粉為原料配制莫來石陶瓷漿料，通過真空浸潰工藝引入三維氧化鋁纖維織物中，經(jīng)高溫煅燒和后續(xù)致密化得到。方法一中采用的液相 先驅(qū)體在高溫轉(zhuǎn)化過程中會(huì)與氧化鋁纖維發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，導(dǎo)致纖維和基體界面結(jié)合過強(qiáng)而使復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂，使得復(fù)合材料力學(xué)性能較差，因而通常需要進(jìn)行界面改性處理。而界面改性工序繁瑣、成本較高，且含界面相的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)莫來石陶瓷的高溫服役性能嚴(yán)重受限于界面相的高溫穩(wěn)定性。方法二的核心思想是制備多孔莫來石基體，增加裂紋在基體中的擴(kuò)散和偏轉(zhuǎn)途徑而有效耗散能量以達(dá)到纖維增韌目的，從而避免了界面涂層的使用，制備工序相對(duì)簡(jiǎn)單，且生產(chǎn)效率大為提高。多孔莫來石陶瓷基體制備過程中，需要合理調(diào)控莫來石陶瓷粉的燒結(jié)活性，使其燒結(jié)條件溫和且高溫性能穩(wěn)定。因此，如何改進(jìn)莫來石陶瓷粉原料及相應(yīng)的制備工藝，以便在相對(duì)較低的溫度下制備出力學(xué)性能優(yōu)異的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)莫來石陶瓷，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種力學(xué)性能優(yōu)異且高溫性能穩(wěn)定的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，并相應(yīng)提供一種制備周期短、成本低、能近凈尺寸成型、能提高材料致密度的該三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，所述多孔莫來石陶瓷是以多孔莫來石作為基體，以三維氧化鋁纖維織物作為增強(qiáng)體，所述基體主要由多孔骨架和粘接相組成，所述多孔骨架主要由富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的莫來石組成，所述粘接相主要由富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的氧化硅組成。
[0007]上述的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，所述增強(qiáng)體優(yōu)選是采用體積分?jǐn)?shù)為38%~42%的三維氧化鋁纖維織物。
[0008]上述的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，所述富硅莫來石粉優(yōu)選是由固相含量為20%~25%的富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到。
[0009]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的制備方法，包括以下工藝步驟:
[0010]( I)富硅莫來石粉的制備:將鋁溶膠和硅溶膠按比例共混后得到富硅莫來石溶膠，然后經(jīng)高溫轉(zhuǎn)化得到富硅莫來石粉；
[0011](2)陶瓷漿料制備:以步驟(1)制備得到的富硅莫來石粉為陶瓷原料、水為溶劑，配制陶瓷漿料，調(diào)節(jié)pH值；
[0012](3)漿料浸潰熱處理:以步驟(2)制備得到的陶瓷漿料為浸潰料，對(duì)三維氧化鋁纖維織物進(jìn)行真空浸潰，然后進(jìn)行干燥，再經(jīng)高溫預(yù)燒結(jié)后，完成一次致密化過程；
[0013](4)后續(xù)致密化:以所述富硅莫來石溶膠為先驅(qū)體，對(duì)步驟(3)中制備得到的多孔莫來石陶瓷粗坯進(jìn)行真空浸潰，然后進(jìn)行凝膠化，再經(jīng)高溫陶瓷化后，重復(fù)本步驟2~4次，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品；
[0014](5)后續(xù)熱處理:對(duì)步驟(4)中制備的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品進(jìn)行后續(xù)熱處理，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷。
[0015]上述制備方法所采用的技術(shù)思路主要分為兩步:一是利用轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉為原料配制陶瓷漿料，然后浸潰熱處理三維氧化鋁纖維織物；二是采用溶膠-凝膠法、以富硅莫來石溶膠為原料，對(duì)經(jīng)漿料浸潰熱處理后的纖維織物進(jìn)行后續(xù)致密化。
[0016]上述的制備方法，所述步驟(1)中，優(yōu)選的，富硅莫來石溶膠含有質(zhì)量比為1: 2~
I: I的Al2O3和SiO2，所述高溫轉(zhuǎn)化的溫度優(yōu)選控制為1000°C~1200°C，氣氛為空氣。
[0017]上述的制備方法，所述步驟(2)中，陶瓷漿料的固含量?jī)?yōu)選控制為40%~50%，pH值優(yōu)選為3~5。
[0018]上述的制備方法，所述步驟(3)中，優(yōu)選的，真空浸潰時(shí)間控制為Ih~3h ;
[0019]干燥特別是指將真空浸潰后的三維氧化鋁纖維織物放入烘箱中，升溫至90°C~110°c，保溫 6h ~IOh ；
[0020]所述高溫預(yù)燒結(jié)是指將干燥后的三維氧化鋁纖維織物放入裂解爐中，在空氣氣氛下以5°C /min~10°C /min的升溫速率升溫至800°C~1000°C，保溫Ih~2h，然后隨爐冷
卻至室溫取出。
[0021]上述的制備方法，所述步驟(4)中，優(yōu)選的，
[0022]真空浸潰的時(shí)間控制為6h~8h ;
[0023]所述凝膠化采用烘箱干燥的方式完成，烘箱干燥是指將經(jīng)真空浸潰后的多孔莫來石陶瓷粗坯放置烘箱中，以2V /min~4°C /min的升溫速率升溫至180°C~200°C，保溫Ih~3h，然后隨爐冷卻至室溫取出；
[0024]所述高溫陶瓷化是采用高溫裂解的方式完成，即將凝膠化后的多孔莫來石陶瓷粗坯放入裂解爐中，在空氣氣氛下以5°C /min~10°C /min的升溫速率升至800°C~1000°C，保溫0.5h~1.5h，隨爐冷卻至室溫取出。
[0025] 上述的制備方法，所述步驟(5)中，優(yōu)選的，后續(xù)熱處理采用高溫裂解的方式完成，即將所述三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品放入裂解爐中，在空氣氣氛下以IO0C /min~15°C /min的升溫速率升至1200°C~1300°C，保溫Ih~2h，隨爐冷卻至室溫取出。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，以三維氧化鋁纖維織物為增強(qiáng)體，以富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化的富硅莫來石粉為多孔莫來石基體，其顯著提高了莫來石陶瓷的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，特別是陶瓷的力學(xué)強(qiáng)度大為提高且高溫處理后變化不大。
[0027]另外，本發(fā)明的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的制備方法為液相法，可在較低溫度下無壓燒結(jié)制備多孔莫來石基體，無需在三維氧化鋁纖維織物表面制備界面相，大大降低能耗和對(duì)設(shè)備的要求，制備周期縮短，還可通過纖維編織方式制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件；而且選取的原料廣泛易得，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷照片。
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化的富硅莫來石粉微觀結(jié)構(gòu)。
[0030]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的面內(nèi)彎曲強(qiáng)度-位移曲線。
[0031]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的斷面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]實(shí)施例1:
[0034]一種如圖1所示本發(fā)明的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，該多孔莫來石陶瓷是以多孔莫來石作為基體，以體積分?jǐn)?shù)為40%的三維氧化鋁纖維織物作為增強(qiáng)體，基體主要由多孔骨架和粘接相組成，多孔骨架主要由固相含量為20%的富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的莫來石組成，粘接相主要由固相含量為20%的富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的氧化硅組成。
[0035]一種制備上述三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的方法，具體包括以下步驟:
[0036](I)富硅莫來石粉制備:由鋁溶膠和硅溶膠按照Al2O3和SiO2的質(zhì)量比為1: 2共混得到富硅莫來石溶膠，然后在1200°C高溫下轉(zhuǎn)化得到富硅莫來石粉(其微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示)；圖2是制備的富硅莫來石粉的透射電鏡照片，其中圖2- Ca)是低倍照片，可以看出莫來石晶粒呈棒狀，且被無定形的氧化硅包覆；圖2- (b)是高分辨照片，可以看出莫來石晶粒沿(110)方向生長(zhǎng)；通過微觀形貌分析可以看出制備的富硅莫來石粉中含有較多的無定形氧化硅，因而具有較好的燒結(jié)特性；
[0037](2)陶瓷漿料制備:以步驟(1)制備的富硅莫來石粉為陶瓷原料、水為溶劑，配制固含量為45%的陶瓷漿料，利用硝酸調(diào)節(jié)pH值為3 ;
[0038](3)漿料浸潰熱處理:以步驟(2)制備的陶瓷漿料為浸潰料，對(duì)三維氧化鋁纖維織物進(jìn)行真空浸潰，真空浸潰時(shí)間為lh，然后將真空浸潰后的三維氧化鋁纖維織物放入烘箱中，在烘箱中100°C保溫8h進(jìn)行干燥，再在裂解爐中、空氣氣氛下以5°C /min的升溫速率升溫至1000°C保溫1.5h，然后隨爐冷卻至室溫取出，完成一次致密化過程；
[0039](4)后續(xù)致密化:以上述富硅莫來石溶膠為先驅(qū)體，對(duì)經(jīng)漿料浸潰熱處理后的多孔莫來石陶瓷粗坯進(jìn)行真空浸潰，浸潰時(shí)間為8h ;然后將經(jīng)真空浸潰后的三維氧化鋁纖維織物放置烘箱中，以4°C /min的升溫速率升溫至200°C保溫2h，完成凝膠化；最后放入裂解爐中，在空氣氣氛下以10°C /min的升溫速率升至1000°C，保溫0.5h，隨爐冷卻至室溫取出，完成一次后續(xù)致密化過程，重復(fù)此步驟3次，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品；
[0040](5)后續(xù)熱處理:將步驟(4)中制備的莫來石陶瓷半成品放入裂解爐中，在空氣氣氛下以10°C /min的升溫速率升至1200°C，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷。
[0041]經(jīng)上述步驟制得的本實(shí)施例的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷樣品照片如圖1所示，載荷-位移曲線如圖3所示，斷口微觀形貌如圖4所示。從圖3可以看出，本發(fā)明的復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂，說明纖維增韌效果較好，復(fù)合材料強(qiáng)度較高。圖4- (a)是斷口低倍照片，可以看出有較多的纖維拔出且拔出長(zhǎng)度較長(zhǎng)；圖4- (b)是斷口高倍照片，可以清晰地看出纖維拔出現(xiàn)象以及多孔基體形貌。
[0042]按照本實(shí)施例的方法，利用富硅莫來石溶膠致密化三維氧化鋁纖維織物，制備三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)莫來石陶瓷(即莫來石基體為致密結(jié)構(gòu))作為對(duì)照樣，對(duì)上述得到的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷和對(duì)照樣進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比測(cè)試，得到如表1所示的主要性能參數(shù)。
[0043]表1:實(shí)施例1中對(duì)比測(cè)試得到的兩種莫來石陶瓷的主要性能參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，所述多孔莫來石陶瓷是以多孔莫來石作為基體，以三維氧化鋁纖維織物作為增強(qiáng)體，其特征在于:所述基體主要由多孔骨架和粘接相組成，所述多孔骨架主要由富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的莫來石組成，所述粘接相主要由富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到的富硅莫來石粉中的氧化硅組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，其特征在于:所述增強(qiáng)體是采用體積分?jǐn)?shù)為38%~42%的三維氧化鋁纖維織物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷，其特征在于:所述富硅莫來石粉是由固相含量為20%~25%的富硅莫來石溶膠轉(zhuǎn)化得到。
4.一種如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)富硅莫來石粉的制備:將鋁溶膠和硅溶膠按比例共混后得到富硅莫來石溶膠，然后經(jīng)高溫轉(zhuǎn)化得到富硅莫來石粉； (2)陶瓷漿料制備:以步驟(1)制備得到的富硅莫來石粉為陶瓷原料、水為溶劑，配制陶瓷漿料，調(diào)節(jié)pH值； (3)漿料浸潰熱處理:以步驟(2)制備得到的陶瓷漿料為浸潰料，對(duì)三維氧化鋁纖維織物進(jìn)行真空浸潰，然后進(jìn)行干燥，再經(jīng)高溫預(yù)燒結(jié)后，完成一次致密化過程； (4)后續(xù)致密化:以所述富硅莫來石溶膠為先驅(qū)體，對(duì)步驟(3)中制備得到的多孔莫來石陶瓷粗坯進(jìn)行真空浸潰 ，然后進(jìn)行凝膠化，再經(jīng)高溫陶瓷化后，重復(fù)本步驟2~4次，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品； (5)后續(xù)熱處理:對(duì)步驟(4)中制備的三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品進(jìn)行后續(xù)熱處理，制得三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中，富硅莫來石溶膠含有質(zhì)量比為1: 2~1:1的Al2O3和SiO2，所述高溫轉(zhuǎn)化的溫度控制為1000°C~1200°C，氣氛為空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，陶瓷漿料的固含量控制為40%~50%，pH值為3~5。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，真空浸潰時(shí)間控制為Ih~3h ;干燥是指將真空浸潰后的三維氧化鋁纖維織物放入烘箱中，升溫至90°C~110°C，保溫6h~IOh ;所述高溫預(yù)燒結(jié)是指將干燥后的三維氧化鋁纖維織物放入裂解爐中，在空氣氣氛下以5°C /min~10°C /min的升溫速率升溫至800°C~1000°C，保溫Ih~2h,然后隨爐冷卻至室溫取出。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中，真空浸潰的時(shí)間控制為6h~8h，所述凝膠化采用烘箱干燥的方式完成，烘箱干燥是指將經(jīng)真空浸潰后的多孔莫來石陶瓷粗坯放置烘箱中，以2V /min~4°C /min的升溫速率升溫至180°C~200°C，保溫Ih~3h，然后隨爐冷卻至室溫取出；所述高溫陶瓷化是采用高溫裂解的方式完成，即將凝膠化后的多孔莫來石陶瓷粗坯放入裂解爐中，在空氣氣氛下以5°C /min~10°C /min的升溫速率升至800°C~1000°C，保溫0.5h~1.5h，隨爐冷卻至室溫取出。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中，后續(xù)熱處理采用高溫裂解的方式完成，即將所述三維氧化鋁纖維織物增強(qiáng)多孔莫來石陶瓷半成品放入裂解爐中， 在空氣氣氛下以10°c /min~15°C /min的升溫速率升至1200°C~1300°C，保溫Ih~2h，隨爐冷卻至室溫取出。
【文檔編號(hào)】C04B38/08GK103922794SQ201410142783
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】程海峰, 劉海韜, 王 義, 祖梅, 王軍, 周永江 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)