本發(fā)明公開(kāi)了一種泡沫陶瓷的制備方法，屬于多孔陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫狀的多孔陶瓷，它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發(fā)展起來(lái)的第三代多孔陶瓷制品。這種高技術(shù)陶瓷具有三維連通孔道，同時(shí)因具有特殊的性能，如高比表面積、高滲透性、低容重、低熱導(dǎo)率等而日益引起各方面的重視。這些優(yōu)異的性能使其在催化劑載體、熔融金屬過(guò)濾、高溫氣體過(guò)濾、耐火材料、生物材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

泡沫陶瓷材質(zhì)由最初的普通粘土質(zhì)發(fā)展到耐高溫、耐腐蝕、耐熱沖擊性材質(zhì)（如碳化硅、氧化鋁、堇青石、鈦酸鋁、莫來(lái)石、鋰輝石等）。泡沫陶瓷材料的制備方法很多，其中應(yīng)用比較成功的有：添加造孔劑方法、發(fā)泡方法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法及溶膠—凝膠方法等。

添加造孔劑方法是通過(guò)在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過(guò)燒結(jié)，造孔劑離開(kāi)基體而形成氣孔來(lái)制備泡沫陶瓷，利用這種方法可以制得形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品；發(fā)泡方法是在制備聚氨基甲酸乙酷泡沫塑料的原料中混入較多的陶瓷粉料（預(yù)先制備好），再加入發(fā)泡劑、催化劑及泡沫穩(wěn)定劑等，充分?jǐn)嚢杈鶆?，使之發(fā)生發(fā)泡反應(yīng)而獲得泡沫陶瓷坯體，這種方法可以制備形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品，以滿足一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用；溶膠—凝膠法是將泡沫陶瓷原料分散在溶劑中，然后經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)生成活性單體，活性單體進(jìn)行聚合，開(kāi)始成為溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，再經(jīng)過(guò)干燥和熱處理制得泡沫陶瓷，這種方法主要用來(lái)制備孔徑在納米級(jí)的微孔陶瓷材料；有機(jī)前驅(qū)體浸潰法是指將處理好的有機(jī)前驅(qū)體（通常選用聚氨基甲酸乙醋泡沫塑料）浸人預(yù)先制備好的陶瓷漿料中，反復(fù)多次，排除氣體，使?jié){料充分浸潤(rùn)有機(jī)前驅(qū)體，然后將多余漿料排除，并反復(fù)滾壓，以使?jié){料均勻附著在前驅(qū)體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絲上，再經(jīng)干燥燒結(jié)制成泡沫陶瓷，該方法通過(guò)控制漿料性能，優(yōu)化無(wú)機(jī)粘結(jié)劑體系，嚴(yán)格控制漿料浸漬工藝過(guò)程，可以制備高性能的泡沫陶瓷制品。

雖然現(xiàn)有的泡沫陶瓷的制備工藝很多，也能制備出一些性能良好的泡沫陶瓷，但是現(xiàn)有的這些工藝制備的泡沫陶瓷材料也存在一些問(wèn)題，主要是現(xiàn)有工藝制備的泡沫陶瓷普遍密度高、強(qiáng)度較低，且在制備過(guò)程中坯體還易發(fā)生塌陷，導(dǎo)致泡沫陶瓷使用受限。因此，如何制備具有低密度、高強(qiáng)度且成品率高的泡沫陶瓷是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性意義的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)傳統(tǒng)泡沫陶瓷材料強(qiáng)度較低，密度較大，且制備過(guò)程中坯體易發(fā)生塌陷的問(wèn)題，提供了一種泡沫陶瓷的制備方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

（1）稱取300～500g稻殼，于高壓蒸鍋中，保溫蒸煮后，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再經(jīng)粉碎烘干，得干燥稻殼粉；

（2）依次稱取100～150g干燥稻殼粉，0.6～0.8g納米鐵粉，攪拌混合10～15min后轉(zhuǎn)入炭化爐，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下保溫反應(yīng)，待保溫反應(yīng)結(jié)束，停止通入氬氣，在空氣氣氛條件下保溫氧化反應(yīng)，待氧化反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻至室溫，并將氧化反應(yīng)后的物料倒入300～400ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3～5%氫氟酸溶液中，攪拌混合10～15min后，過(guò)濾、洗滌并干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須；

（3）依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長(zhǎng)石，球磨后過(guò)篩，得燒結(jié)助劑粉末；

（4）按重量份數(shù)計(jì)，在混料機(jī)中依次加入100～150份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～8%聚乙烯醇溶液，10～15份燒結(jié)助劑粉末，15～20份疏松碳化硅晶須，80～120份平均粒徑為60～80μm的氧化鋁粉，3～5份檸檬酸銨，2～4份乳化劑op-10，恒溫?cái)嚢杌旌?～5h；

（5）待恒溫?cái)嚢杌旌辖Y(jié)束，將混料機(jī)中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30～40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4～6h，如此冷凍、解凍循環(huán)3～5次，并將最終解凍后的模具轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2～4h，脫模，得陶瓷生坯，再經(jīng)燒結(jié)，即得泡沫陶瓷。

步驟（1）所述的保溫蒸煮條件為：蒸煮溫度為120～140℃，蒸煮時(shí)間為45～60min。

步驟（1）所述的保溫蒸煮前，還可以向高壓蒸鍋中加入10～15g氫氧化鈉。

步驟（2）所述的干燥稻殼粉中還可以添加0.3～0.5g氟化鈉。

步驟（2）所述的在氬氣保護(hù)狀態(tài)下保溫反應(yīng)條件為：以10～15ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以6～8℃/min速率程序升溫至550～600℃，保溫炭化2～4h，再以10～15℃/min速率程序升溫至1400～1500℃，保溫反應(yīng)3～5h。

步驟（2）所述的在空氣氣氛中保溫氧化反應(yīng)條件為：待炭化爐內(nèi)溫度自然冷卻至700～750℃，再以10～15ml/min速率向上述炭化爐內(nèi)通入空氣，保溫氧化反應(yīng)2～4h后，自然冷卻至室溫。

步驟（3）所述的過(guò)篩條件為過(guò)325～500目篩。

步驟（4）所述的聚乙烯醇溶液中還可以添加聚乙烯醇溶液質(zhì)量6～8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質(zhì)量0.3～0.5%的戊二醛。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明首先以廉價(jià)易得的稻殼為硅源，在堿性條件下高壓蒸煮使稻殼纖維初步解纖，使稻殼結(jié)構(gòu)疏松，利于與氟化鈉和納米鐵粉組成的催化劑充分接觸，隨后于較低溫度下使稻殼中有機(jī)質(zhì)炭化，再配合納米鐵粉和氟化鈉的催化作用，在較高溫度條件下形成碳化硅晶須，利用在空氣氣氛條件下煅燒使未完全反應(yīng)的炭化有機(jī)質(zhì)得以去除，配合氫氟酸的浸泡，可去除未反應(yīng)的二氧化硅，從而使碳化硅晶須得以純化，產(chǎn)品泡沫陶瓷中，因?yàn)橛刑蓟杈ы氉鳛樵鰪?qiáng)體的加入，從而可有效避免泡沫陶瓷在制備過(guò)程中坯體塌陷的問(wèn)題；

（2）本發(fā)明通過(guò)乳化劑op-10的加入，在高速攪拌過(guò)程中，可使空氣以微小氣泡形式均勻分布于物料中，在冷凍過(guò)程中，部分水形成細(xì)小冰晶，再經(jīng)真空冷凍干燥使冰晶升華排出，在陶瓷坯體中形成定向排布的孔隙結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品密度降低，同時(shí)利用冷凍解凍循環(huán)，使聚乙烯醇、殼聚糖及戊二醛發(fā)生交聯(lián)固化，形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步避免坯體結(jié)構(gòu)塌陷，提高泡沫陶瓷產(chǎn)品的強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

首先稱取300～500g稻殼，10～15g氫氧化鈉，倒入盛有1000～1200ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為120～140℃條件下，保溫蒸煮45～60min，再將高壓蒸鍋中物料過(guò)濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉(zhuǎn)入冷凍粉碎機(jī)中粉碎10～20min，并將粉碎后的稻殼轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取100～150g所得干燥稻殼粉，0.3～0.5g氟化鈉，0.6～0.8g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合10～15min后，將坩堝轉(zhuǎn)入炭化爐，以10～15ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以6～8℃/min速率程序升溫至550～600℃，保溫炭化2～4h，再以10～15℃/min速率程序升溫至1400～1500℃，保溫反應(yīng)3～5h，待保溫反應(yīng)結(jié)束，停止通入氬氣，并自然冷卻至700～750℃，再以10～15ml/min速率向炭化爐內(nèi)通入空氣，保溫氧化反應(yīng)2～4h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應(yīng)后的物料倒入盛有300～400ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3～5%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合10～15min后，將塑料燒杯中物料過(guò)濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105～110℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取100～120g高嶺土，200～220g石英石，600～650g鉀長(zhǎng)石，倒入球磨機(jī)中，按球料質(zhì)量比為10：1～20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24～36h，球磨后過(guò)325～500目篩，得燒結(jié)助劑粉末，再按重量份數(shù)計(jì)，在混料機(jī)中依次加入100～150份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～8%聚乙烯醇溶液，10～15份所得燒結(jié)助劑粉末，15～20份疏松碳化硅晶須，80～120份平均粒徑為60～80μm的氧化鋁粉，3～5份檸檬酸銨，2～4份乳化劑op-10，聚乙烯醇溶液質(zhì)量6～8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質(zhì)量0.3～0.5%的戊二醛，于溫度為45～55℃，轉(zhuǎn)速為600～800r/min條件下，恒溫?cái)嚢杌旌?～5h，待恒溫?cái)嚢杌旌辖Y(jié)束，將混料機(jī)中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30～40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4～6h，如此冷凍、解凍循環(huán)3～5次，并將最終解凍后的模具轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2～4h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉(zhuǎn)入燒結(jié)爐，于溫度為1450～1500℃條件下，燒結(jié)2～3h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。

實(shí)例1

首先稱取300g稻殼，倒入盛有1000ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為120℃條件下，保溫蒸煮45min，再將高壓蒸鍋中物料過(guò)濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉(zhuǎn)入冷凍粉碎機(jī)中粉碎10min，并將粉碎后的稻殼轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取100g所得干燥稻殼粉，0.6g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合10min后，將坩堝轉(zhuǎn)入炭化爐，以10ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以6℃/min速率程序升溫至550℃，保溫炭化2h，再以10℃/min速率程序升溫至1400℃，保溫反應(yīng)3h，待保溫反應(yīng)結(jié)束，停止通入氬氣，并自然冷卻至700℃，再以10ml/min速率向炭化爐內(nèi)通入空氣，保溫氧化反應(yīng)2h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應(yīng)后的物料倒入盛有300ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合10min后，將塑料燒杯中物料過(guò)濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為105℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取100g高嶺土，200g石英石，600g鉀長(zhǎng)石，倒入球磨機(jī)中，按球料質(zhì)量比為10：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理24h，球磨后過(guò)325目篩，得燒結(jié)助劑粉末，再按重量份數(shù)計(jì)，在混料機(jī)中依次加入100份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%聚乙烯醇溶液，10份所得燒結(jié)助劑粉末，15份疏松碳化硅晶須，80份平均粒徑為60μm的氧化鋁粉，3份檸檬酸銨和2份乳化劑op-10，于溫度為45℃，轉(zhuǎn)速為600r/min條件下，恒溫?cái)嚢杌旌?h，待恒溫?cái)嚢杌旌辖Y(jié)束，將混料機(jī)中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍30s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍4h，如此冷凍、解凍循環(huán)3次，并將最終解凍后的模具轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥2h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉(zhuǎn)入燒結(jié)爐，于溫度為1450℃條件下，燒結(jié)2h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。

實(shí)例2

首先稱取400g稻殼，倒入盛有1100ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為130℃條件下，保溫蒸煮53min，再將高壓蒸鍋中物料過(guò)濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉(zhuǎn)入冷凍粉碎機(jī)中粉碎15min，并將粉碎后的稻殼轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取125g所得干燥稻殼粉，0.7g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合13min后，將坩堝轉(zhuǎn)入炭化爐，以13ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以7℃/min速率程序升溫至575℃，保溫炭化3h，再以13℃/min速率程序升溫至1450℃，保溫反應(yīng)4h，待保溫反應(yīng)結(jié)束，停止通入氬氣，并自然冷卻至725℃，再以13ml/min速率向炭化爐內(nèi)通入空氣，保溫氧化反應(yīng)3h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應(yīng)后的物料倒入盛有350ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合13min后，將塑料燒杯中物料過(guò)濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為108℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取110g高嶺土，210g石英石，625g鉀長(zhǎng)石，倒入球磨機(jī)中，按球料質(zhì)量比為15：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理30h，球磨后過(guò)410目篩，得燒結(jié)助劑粉末，再按重量份數(shù)計(jì)，在混料機(jī)中依次加入125份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%聚乙烯醇溶液，13份所得燒結(jié)助劑粉末，18份疏松碳化硅晶須，100份平均粒徑為70μm的氧化鋁粉，4份檸檬酸銨和3份乳化劑op-10，于溫度為50℃，轉(zhuǎn)速為700r/min條件下，恒溫?cái)嚢杌旌?h，待恒溫?cái)嚢杌旌辖Y(jié)束，將混料機(jī)中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍35s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍56h，如此冷凍、解凍循環(huán)4次，并將最終解凍后的模具轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥3h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉(zhuǎn)入燒結(jié)爐，于溫度為1475℃條件下，燒結(jié)2h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。

實(shí)例3

首先稱取500g稻殼，15g氫氧化鈉，倒入盛有1200ml水的高壓蒸鍋中，于溫度為140℃條件下，保溫蒸煮60min，再將高壓蒸鍋中物料過(guò)濾，得蒸煮稻殼，靜置瀝干水分并自然冷卻至室溫，再將冷卻后的稻殼轉(zhuǎn)入冷凍粉碎機(jī)中粉碎20min，并將粉碎后的稻殼轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得干燥稻殼粉，隨后依次稱取150g所得干燥稻殼粉，0.5g氟化鈉，0.8g納米鐵粉，倒入坩堝中，用玻璃棒攪拌混合15min后，將坩堝轉(zhuǎn)入炭化爐，以15ml/min速率向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，以8℃/min速率程序升溫至600℃，保溫炭化4h，再以15℃/min速率程序升溫至1500℃，保溫反應(yīng)5h，待保溫反應(yīng)結(jié)束，停止通入氬氣，并自然冷卻至750℃，再以15ml/min速率向炭化爐內(nèi)通入空氣，保溫氧化反應(yīng)4h，待自然冷卻至室溫，將氧化反應(yīng)后的物料倒入盛有400ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氫氟酸溶液的塑料燒杯中，用木棍攪拌混合15min后，將塑料燒杯中物料過(guò)濾，得濾餅，并用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將洗滌后的濾餅轉(zhuǎn)入烘箱中，于溫度為110℃條件下干燥至恒重，得疏松碳化硅晶須，再依次稱取120g高嶺土，220g石英石，650g鉀長(zhǎng)石，倒入球磨機(jī)中，按球料質(zhì)量比為20：1加入氧化鋯球磨珠，球磨處理36h，球磨后過(guò)500目篩，得燒結(jié)助劑粉末，再按重量份數(shù)計(jì)，在混料機(jī)中依次加入150份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%聚乙烯醇溶液，15份所得燒結(jié)助劑粉末，20份疏松碳化硅晶須，120份平均粒徑為80μm的氧化鋁粉，5份檸檬酸銨，4份乳化劑op-10，聚乙烯醇溶液質(zhì)量8%的殼聚糖和聚乙烯醇溶液質(zhì)量0.5%的戊二醛，于溫度為55℃，轉(zhuǎn)速為800r/min條件下，恒溫?cái)嚢杌旌?h，待恒溫?cái)嚢杌旌辖Y(jié)束，將混料機(jī)中物料注入模具中，并將模具置于液氮中冷凍40s，再將冷凍后的模具取出，于室溫條件下自然解凍6h，如此冷凍、解凍循環(huán)5次，并將最終解凍后的模具轉(zhuǎn)入真空冷凍干燥箱中，真空冷凍干燥4h，脫模，得陶瓷生坯，最后將所得陶瓷生坯轉(zhuǎn)入燒結(jié)爐，于溫度為1500℃條件下，燒結(jié)3h，隨爐冷卻至室溫，出料，即得泡沫陶瓷。

對(duì)實(shí)例1～3制得的泡沫陶瓷和市售不同材質(zhì)（堇青石、氧化鋁）泡沫陶瓷進(jìn)行性能測(cè)試，其檢測(cè)結(jié)果如下表：

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。