一种低热导率堇青石多孔陶瓷的制备方法与流程

本发明属保温隔热陶瓷材料制备领域，具体涉及一种兼顾显气孔率及热导率的隔热多孔陶瓷的制备方法。

背景技术：

保温隔热陶瓷在工业上有很广泛的应用，一般隔热保温陶瓷是通过内部大量的闭口气孔降低材料的热导率，但是在一些特殊的条件下，隔热多孔陶瓷必须具有一定的开口气孔以满足其他的使用要求。或者换一个角度，一些以开口气孔为主的多孔陶瓷也需要一定的隔热性能，本专利目的不在于追求极高的气孔率或极低的热导率，而是同时具备这两种性能。

专利号为201410627847.2的发明专利公开了一种闭孔型多孔陶瓷氧化铝隔热陶瓷的制备方法，主要着重于开口气孔低于5％，热导率能达到0.1w/(mk)，使用温度能超过1400℃。

多孔陶瓷同时具有气相和固相，其热量传递包括气相和固相两个部分，热量传递有三种形式：热传导、热对流及热辐射，而热对流在气孔尺寸小于10mm时可以忽略，温度不是很高时热辐射也影响极小。因此热传导是本制品热量传递的主要方式。热传导在微观上是由晶格的振动来实现的，晶格振动的能量是量子化的，一般用声子来表述晶格振动中简谐振子的能量子，热量的传递可以描述为声子的转播，而多孔陶瓷中气孔以及孔壁能造成声子散射，并且气孔的热导率较低，因此气孔存在能降低热量传递。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低热导率堇青石多孔陶瓷的制备方法，该方法制备的堇青石多孔陶瓷烧结温度低，具有显气孔率高、热导率低、保温性能好的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种低热导率堇青石多孔陶瓷的制备方法，将堇青石、莫来石、b2o3和造孔剂pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，按比例放入球磨机中球磨混合均匀，其中：堇青石与莫来石质量比为5:5及7:3之间，b2o3质量为堇青石与莫来石质量和的3％～10％，将得到的粉料烘干，造粒，压片，将得到的坯体排胶，排胶后的样品在1175～1250℃，保温煅烧0.5～4h，得到低热导率堇青石多孔陶瓷。

按上述方案，所述堇青石、莫来石、b2o3、造孔剂的原始粒径在50±40μm之间。

按上述方案，所述的球磨时间为6h，烘干温度为100℃，时间为24h。

按上述方案，所述造粒时加入10％的粘接剂，压片时压力为10mpa，保压1min。

按上述方案，所述的粘接剂为聚乙烯醇。

按上述方案，所述的排胶温度为350℃、400℃、450℃保温1h，600℃保温2h。本发明优选采用上述递进升温制度排胶(350℃、400℃、450℃保温1h)，可降低pmma分解氧化产生气体的排除速度，得到更佳的pmma去除效果。若在更高的温度pmma剧烈反应短时间排除大量气体，容易破坏陶瓷结构产生大量的微裂纹，极端情况下会导致样品出现宏观裂纹及其他权限。600℃对应加入聚乙烯醇排除温度，聚乙烯醇作为粘接剂加入体系，陶瓷粉末在烧结之前主要由聚乙烯醇粘结，若短时间快速排除聚乙烯醇，陶瓷颗粒之间会产生较大的应力，陶瓷尺寸会有较大变化，陶瓷颗粒的排列变化也会影响后续高温烧结。

按上述方案，所述的保温煅烧升温速率为0.5～2℃/min。加入b2o3作为助烧结剂，在1000℃之上b2o3以液相的形式存在，液相b2o3存在能极大的促进颗粒重排及传质作用。另外烧结温度太慢，陶瓷颗粒容易填充气孔而降低气孔率，而烧结温度太快，含有气孔的陶瓷体会积攒较大的热应力而导致陶瓷体出现裂纹等缺陷。

按上述方案，所述的烧结温度优选为1175～1225℃。

按上述方案，所述的造孔剂pmma用量为堇青石、莫来石、b2o3三者质量和的10-30wt％，优选为20-30wt％，更优选为25wt％。

本发明的有益效果是：

本发明使用堇青石和莫来石为主要原料，并配合b2o3助剂和造孔剂pmma及烧结温度等条件的选择提供的低热导率堇青石多孔陶瓷材料制备方法烧结温度低，制备的低热导率堇青石多孔陶瓷显气孔率可达到60％左右，热导率能达到0.11w/mk左右，热扩散系数最低能达到0.28mm²/s左右，工艺简单。气孔率一定范围内连续可调。

附图说明

图1是添加炭粉为造孔剂制备样品，a、b、c图分别为气孔率、热导率及热扩散系数与造孔剂含量关系；

图2是添加淀粉为造孔剂制备样品，a、b、c图分别为气孔率、热导率及热扩散系数与造孔剂含量关系；

图3是添加pmma为造孔剂制备样品，a、b、c图分别为气孔率、热导率及热扩散系数与造孔剂含量关系；

图4是添加pmma为造孔剂制备样品，a、b、c图分别为气孔率、热导率及热扩散系数与烧结温度关系；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但是本发明的内容不仅局限于下面的实施例。

实例1：

1)使用原料包括堇青石、莫来石、b2o3、pmma，原料原始粒径平均值分别为50μm、50μm、30μm、30μm，原料比例设计为：堇青石与莫来石质量比为5:5，b2o3质量为堇青石与莫来石质量和的3％，造孔剂质量为堇青石、莫来石、b2o3三者质量和的10％、15％、20％、25％、30％。将称好的原料按比例放入球磨机中球磨混合均匀，球磨时间为6h，得到的粉料烘干，烘干温度为100℃，时间为24h。

2)将烘干的粉末造粒，过100目筛得到陶瓷粉末，压片，造粒加入10％的粘接剂，压片时压力为10mpa，保压1min，将得到的坯体在电阻炉中排胶，排胶温度制度为350℃、400℃、450℃保温1h，600℃保温2h。排胶后的样品以1℃/min的速率升温到1200℃，保温1.5h，得到5份多孔陶瓷样品。

采用炭粉、淀粉分别替换造孔剂pmma，制备陶瓷材料。

上述炭粉、淀粉和pmma作造孔剂烧结得到的陶瓷样品使用阿基米德原理测试显气孔率，如图1-3中所示。从图中可以看出，使用pmma为造孔剂能达到60％以上，并且对样品进行热导率及导热系数测试，数据也显示，使用pmma为造孔剂，热导率可达到0.1104w/mk，导热系数可达到0.2820mm²/s，明显低于其他两种。

实例2：

1)使用原料包括堇青石、莫来石、b2o3、pmma，原料原始粒径平均值分别为70μm、70μm、50μm、40μm，原料比例设计为：堇青石与莫来石质量比为5:5，b2o3质量为堇青石与莫来石质量和的3％，pmma质量为堇青石、莫来石、b2o3三者质量和的25％。将称好的原料按比例放入球磨机中球磨混合均匀，球磨时间为6h，得到的粉料烘干，烘干温度为100℃，时间为24h。

2)将烘干的粉末造粒，过100目筛得到陶瓷粉末，压片，造粒加入10％的粘接剂，压片时压力为10mpa，保压1min，将得到的坯体在电阻炉中排胶，排胶温度制度为350℃、400℃、450℃保温1h，600℃保温2h。排胶后的样品以1℃/min的速率升温到1150℃、1175℃、1200℃、1225℃、1250℃、1275℃，保温1h，得到6份多孔陶瓷样品。

实例2得到的陶瓷样品，使用阿基米德原理测试显气孔率；用热常数分析仪测试热导率及热扩散系数，结果如图4所示。从图中可以发现，显气孔率随温度升高会下降，显气孔率超过1225℃会明显下降，热导率及导热系数在1150℃到1200℃之间缓慢上升，1200℃到1275℃热导率及导热系数下降，本发明通过选取合适的烧结温度得到较高气孔率及较低热扩散系数的陶瓷材料。

实例3：

1)使用原料包括堇青石、莫来石、b2o3、pmma的原始粒径在50±40μm之间，原料比例设计为：堇青石与莫来石质量比为5:5，b2o3质量为堇青石与莫来石质量和的3％，炭粉质量为堇青石、莫来石、b2o3三者质量和的25％。将称好的原料按比例放入球磨机中球磨混合均匀，球磨时间为6h，得到的粉料烘干，烘干温度为100℃，时间为24h。

2)将烘干的粉末造粒，过100目筛得到陶瓷粉末，压片，造粒加入10％的粘接剂，压片时压力为10mpa，保压1min，将得到的坯体在电阻炉中排胶，排胶温度制度为300℃保温1h，600℃保温2h。排胶后的样品以1℃/min的速率升温到1225℃，保温1h、2h、3h、4h，得到4份多孔陶瓷样品。

对样品进行测试结果表明，保温时间的不同对样品气孔率影响不大，气孔率随着保温时间从0.5h到4h，气孔率从63％减小到61％，同样热导率及热扩散系数也变化不大，从工业生产经济性的角度，可根据实际生产周期确定保温温度。