专利名称：多孔陶瓷烧结体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及超轻质的多孔陶瓷，其具有高热阻性，可应用于隔热瓦等，并涉及其制造方法。
背景技术：
最近在一些应用场合需要生产一种轻质的陶瓷烧结体，制造方法包括的步骤有往陶瓷的起始材料中填充泡沫聚苯乙烯颗粒体，将填充后的材料加工成坯体并烧结坯体得到具有孔隙的多孔陶瓷烧结体，其孔隙是在焚烧掉所述颗粒体部分后产生的，已经尝试这些方法以使烧结体轻质。包含陶瓷起始原料主要组分的无机物质如高岭石和丝云母比重约为2g/cm3，为了使烧结体轻质达到原比重的1/10，如表观比重为0.2g/cm3，通过添加颗粒体，陶瓷起始材料的总体积必须增大到原体积的十倍。
当为增加陶瓷的总体积所使用的颗粒体的粒径小至几个微米时，所添加的总粒子数变得很大，以致烧结的多孔体中包含无数的细孔，使得陶瓷骨架难以维持其形状，因为陶瓷体变得很脆。另一方面，当添加粒径为几个毫米的颗粒体时，形成了其中颗粒体互相接触的坯体，由于陶瓷骨架的坍塌，多孔体的陶瓷骨架几乎难以形成。所以，为了得到轻质陶瓷，通过在传统陶瓷体中添加颗粒体的方法，所得到的最大比重为0.35g/cm3。实际上得不到具有如上所述的轻比重的轻质陶瓷，这即为本发明将要解决的问题。
发明内容
综上所述，用来解决该问题的本发明提供了一种多孔陶瓷烧结体，该烧结体的形成过程是通过在陶瓷起始原料中填充颗粒体，使其在焙烧过程中焚烧掉而转化成孔隙，其中比重调节到0.3g/cm3或更低，这是通过在陶瓷起始原料中填充至少两种平均粒径互不相同的颗粒体实现的。
上面介绍的颗粒体是由大颗粒体(直径)和小颗粒体(直径)构成，其中大颗粒体是为了形成多孔骨架，小颗粒体是为了使骨架自身更多孔。
平均粒径位于大颗粒体与小颗粒体之间的中颗粒体(直径)还可填充到陶瓷起始原料中。
除了大颗粒体和小颗粒体，中颗粒体的平均粒径是这样选定的，其尺寸可使得通过在大颗粒体之间形成的厚骨架部分中填充中颗粒体以形成孔隙。
大颗粒体的平均粒径位于1.5至5mm的范围，优选位于2.0至4.5mm的范围，更优选位于2.0至3.5mm的范围。小颗粒体的平均粒径位于0.01至0.5mm的范围，优选位于0.04至0.2mm的范围，更优选位于0.06至0.15mm的范围。
中颗粒体的平均粒径位于0.5至3.0mm的范围，优选位于0.8至2.5mm的范围。
本发明还提供了一种制造多孔陶瓷烧结体的方法，该方法采用在陶瓷起始原料中填充颗粒体，使其在焙烧过程中焚烧掉而转化成孔隙。其中坯体的形成过程包括，在陶瓷起始原料中填充选自平均粒径为1.5至5mm范围的大颗粒体、选自平均粒径为0.5至3.0mm范围的中颗粒体、及选自平均粒径为0.04至0.2mm范围的小颗粒体，随后经烧结形成比重为0.3g/cm3或更低的多孔陶瓷烧结体。
因此，本发明提供了崭新的超轻质多孔陶瓷，其比重为0.3g/cm3或更低，最好的约为0.1g/cm3。
附图简述
图1示出了表1，图2示出了表2，图3示出了表3，图4示出了表4，图5示出了颗粒体的体心立方排列平面投影的示意图。
实施本发明的最佳模式本发明所用的陶瓷起始原料包含的主组分选自天然原料如高岭石、丝云母、蒙脱石和迪开间蒙脱石、或人工原料如氧化铝、氧化硅、氧化锆和硅酸铝锂至少之一。
现有技术中已知的在焙烧步骤中在焚烧掉后转化成孔隙的任何颗粒体都能用作填充进入陶瓷起始原料的颗粒体，然而，当根据本发明制造比重约为0.1g/cm3的轻质多孔陶瓷烧结体时，陶瓷材料坯体的机械强度变得很弱。因此，为了防止作为多孔体骨架的陶瓷起始原料，在烧结时的升温过程中由于颗粒体的膨胀导致的膨胀力而引起开裂，最好使用低膨胀率的颗粒体材料如低比重有机泡沫材料如聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯。特别优选的例子是使用事先已膨胀到最大程度(膨胀率大约99％(发泡))的最大发泡颗粒体，以使升温时不再有膨胀(发泡)。
当使用一种为小颗粒、一种为大颗粒的至少两种颗粒体时，分别选择至少一种小颗粒体，其平均粒径位于0.01-0.5mm的范围，优选位于0.04-0.2mm的范围，更优选位于0.06-0.1mm的范围；和至少一种大颗粒体，其平均粒径位于0.5-5mm的范围，优选位于0.8-4mm的范围，更优选位于1.0-3.5mm的范围。当平均粒径变小，总颗粒数增加以致于多孔体的骨架本身变得很脆，难以维持骨架强度。当平均粒径变大，坯体中颗粒之间互相接触以致于烧结后维持多孔体骨架也变得困难。
因此，需使用大颗粒与小颗粒的不同颗粒的混合，因为通过证实使大颗粒体间的相互接触尽量小而确保多孔体骨架的形成时，仅通过添加大颗粒体并不能制成充分轻质的多孔体，因为形成了厚骨架(大直径)。所以，为使骨架本身轻质，可通过同时在多孔体中填充小颗粒体使得比重降低，小颗粒体填充的程度应为不至于使多孔体由于小颗粒体产生的孔隙而变脆。
本发明中也考虑了下列维持多孔体强度的方法，即假如四个大颗粒体在三维空间中沿连接各个颗粒体的线等角度排列，每个颗粒的中心位于等边三角锥的顶点上(体心立方排列)，同时每个顶点形成一个相对等边三角锥的中心的夹角约为109度的三维几何体。等边三角锥的中心作为无颗粒体存在的部分，使得骨架变厚(大直径)，阻止了烧结体变得轻质。
当通过以具有细孔的小颗粒体替代厚骨架部分使烧结体变得轻质时，除了需要大量小尺度颗粒外，骨架可能还会被小孔隙占据，导致强度降低。
因此，采用中尺度的颗粒体以在厚骨架部分形成孔隙变得很重要。换句话说，小颗粒体的填充量可以减少，而以中颗粒体填充厚部分形成孔隙，进而维持强度的同时使烧结体更轻质。虽然有利的是中颗粒体的直径比从体心立方排列理论计算得到的值略小，但实际上需要其具有足以使大颗粒之间形成的厚骨架得以填充的直径。然而，当选定上述平均粒径的大颗粒时，中颗粒体的实际平均粒径在0.5-3.0mm的范围内选择，优选范围为0.8-2.5mm，更优选范围为0.8-2.5mm。
通过如图5所示体心立方排列投影平面的示意图，上述条件将会变得很清楚。图中符号A表示大颗粒的中心，符号O表示中心A的中心，符号B表示中尺度颗粒，及符号C表示小尺度颗粒。
为了改善主成分中所述颗粒体的分散特性以及增强坯体的干强度，表面活性剂、纤维(如纸浆)、淀粉、纤维素等等可以加入到本发明中使用的陶瓷起始原料中。
焙烧气氛可以是氧化气氛或非氧化气氛(包含氧源的还原气氛)。
下面将介绍实施本发明的实例以及对比例。<实例1>
采用825重量份的高岭石和375重量份的丝云母作为陶瓷起始原料，并使用最大发泡聚苯乙烯颗粒体。将50重量份平均粒径为3.2mm的大颗粒体，两种中颗粒体的混合物130重量份平均粒径为2.2mm和70重量份平均粒径为1.0mm的中颗粒体，以及100重量份平均粒径为0.08mm的小颗粒体，与2750重量份的水混合，通过搅拌制备料浆。在模压2.1Kg/cm3的条件下将料浆在大小为5cm×5cm×10cm的模具中模压。彻底干燥后(50℃，24h)，将形成的坯体取出模具。坯体比重为0.27g/cm3。坯体的焙烧条件为经7小时使温度缓慢升至1300℃，在1300℃焙烧1小时后，温度又在12小时内缓慢下降。多孔陶瓷烧结体的比重为0.22g/cm3。陶瓷烧结体用手不能压碎仍可保持形状，表明得到了高质量的多孔陶瓷，结果如表1所示。<实例2>
料浆的制备是通过混合700重量份的高岭石和500重量份的丝云母作为陶瓷起始原料，再混入50、100、70和150重量份的最大发泡颗粒，其平均粒径分别为3.2mm、2.2mm、1.0mm和0.08mm，再混入1500重量份的水。采用如实例1介绍的相同的方法将料浆在模具中模压成型，干燥后形成比重为0.30g/cm3的坯体，再在与前面相同的条件下焙烧坯体，得到比重为0.24g/cm3的良好多孔陶瓷烧结体，结果如表1所示。<实例3至6>
采用与实例1所用相同的实验过程制备料浆，即通过混合实例1中所用的陶瓷起始原料、颗粒体、水等，比例如表1所列。干燥和烧结后的坯体比重如表1所示。这些实例中制备的陶瓷烧结体具有很好的机械强度及高质量。<对比例1至4>
按实例3所示配制陶瓷起始原料、颗粒体、水等的混合物，仅混合一种实例1所用的发泡颗粒制备料浆，其比例如表1所示，料浆加工方法与实例1相同。干燥后和烧结后的坯体比重如表1所示。
通过仅混合平均粒径为3.2mm的颗粒体制备的对比例1中的坯体，以及通过仅混合平均粒径为2.1mm的颗粒体制备的对比例2中的坯体，它们是松散的饼状的，以致于烧结步骤中已出现坍塌，不可能维持块体形状。仅采用平均粒径为1.0mm的颗粒体制备的对比例3中的坯体在烧结步骤中是半坍塌的，难以加工。虽然在对比例4中仅采用平均粒径为0.08mm的颗粒体试图形成干比重低于0.35g/cm3的坯体，但是由于发泡体的总体积较大，不能制备良好的坯体。所以，干比重为0.39g/cm3的坯体需强制经历烧结，上述烧结体在烧结时出现大量收缩，与干燥后的值相比，干比重增至0.46g/cm3。该烧结体很脆，非常容易出现坍塌。这些结果如表1所示。<实例7至9、对比例5至6>
通过按表2所列的比例混合陶瓷起始原料、颗粒体、水等得到料浆，并采用与实例1所用相同的方法进行加工。实例7至9及对比例5至6的系列是为了观察以下的效果而进行的，其中使用一种固定添加量的大颗粒体而改变小颗粒体的颗粒尺度。关于干燥后坯体的比重、烧结后多孔体的比重以及烧结体的状态，得到了如表2所示的结果。
实例8中得到了良好的陶瓷烧结体，虽然实例7中得到的陶瓷烧结体的骨架比较脆弱，但是仍维持烧结体形状，适于加工。实例9中的烧结体泡沫结构可能比较粗糙，仍能维持其形状。
相反，对比例5中制备的烧结体几乎不能维持其形状，它非常脆弱以致于当手指轻轻一按就能穿透烧结体，由于它很易坍塌，不可能进行加工。对比例6中的烧结体仅能维持其表皮形状，而内部已坍塌。<实例10至12、对比例7至8>
将通过混合陶瓷起始原料、颗粒体(最大发泡颗粒体)、水等得到的料浆按照与实例1相同的方法进行加工。为了观察采用一种固定添加量的小颗粒体而变换大颗粒体的颗粒尺度的作用，进行了一系列实例和对比例试验。干燥后坯体的比重、烧结后多孔体的比重以及烧结体的状态，如表3所示。
实例11中得到了好的陶瓷烧结体，实例10和12中得到的烧结体也比较满意。
相反，对比例7中的陶瓷烧结体已收缩并伴随有比重的增加。对比例8中的陶瓷烧结体在烧结步骤中发生了坍塌。<实例13至15、对比例9至10>
将通过按表4所示比例混合陶瓷起始原料、颗粒体、水等得到的料浆按照与实例1相同的方法进行加工。为了观察固定第一种大颗粒和小颗粒的添加量而变换第二种大颗粒的添加量的作用，进行了一系列实例和对比例试验。干燥后坯体的比重、烧结后多孔体的比重以及烧结体的状态，如表4所示。
虽然实例13和15中得到了好的陶瓷烧结体，但是对比例9中观察到了比重增加，并且脆弱的该烧结体具有较差的机械强度。而对比例10中烧结体外观很好，内部泡沫结构出现坍塌。
工业实用性本发明提供了一种比重低于0.3g/cm3或最好可达0.1g/cm3的轻质多孔陶瓷，即一种前的未有的超轻质多孔陶瓷。
权利要求
1.一种多孔陶瓷烧结体，形成过程包括在陶瓷起始原料中填充颗粒体，使其在焙烧步骤中焚烧掉而转化成孔隙，其中在陶瓷起始原料中填充至少两种平均粒径互不相同的所述颗粒体，以将比重调节至0.3g/cm3或更低。
2.根据权利要求1的多孔陶瓷烧结体，其中颗粒体是由大颗粒体和小颗粒体构成，其中大颗粒体是为了形成多孔骨架，小颗粒体是为了使骨架自身更多孔。
3.根据权利要求1或2的多孔陶瓷烧结体，其中平均粒径介于大颗粒体与小颗粒体之间的中颗粒体被填充到大颗粒体和小颗粒体旁边。
4.根据权利要求1、2或3的多孔陶瓷烧结体，其中中颗粒体的平均粒径选自可填充在大颗粒体之间形成的厚骨架部分中以形成孔隙的粒径。
5.根据权利要求1、2、3或4的多孔陶瓷烧结体，其中大颗粒体的平均粒径位于1.5至5mm的范围，优选位于2.0至4.5mm的范围，更优选位于2.0至3.5mm的范围，小颗粒体的平均粒径位于0.01至0.5mm的范围，优选位于0.04至0.2mm的范围，更优选位于0.06至0.15mm的范围。
6.根据权利要求2、3、4或5的多孔陶瓷烧结体，其中中颗粒体的平均粒径位于0.5至3.0mm的范围，优选位于0.8至2.5mm的范围。
7.一种制造多孔陶瓷烧结体的方法，包括在陶瓷起始原料中填充颗粒体，使该颗粒体在焙烧步骤中焚烧掉而转化成孔隙，其中坯体的形成过程包括在陶瓷起始原料中填充选自平均粒径范围1.5-5mm的大颗粒体、选自平均粒径范围0.5-3.0mm的中颗粒体以及选自平均粒径范围0.04-0.2mm的小颗粒体，随后经烧结形成比重为0.3g/cm3或更低的多孔陶瓷烧结体。
全文摘要
本发明提供了一种比重为0.3g/cm
文档编号C04B20/00GK1255909SQ99800012
公开日2000年6月7日 申请日期1999年2月3日 优先权日1998年2月25日
发明者岛田幸一 申请人:岛田幸一, 株式会社田宫