一种反应合成多孔镁铝尖晶石制备方法

摘要

一种反应合成多孔镁铝尖晶石的制备方法，包括以下步骤：1）粉末混合过筛；2）装入模具；3）预热成型；4）保温；5）放入氧化炉；6）氧化处理；7）高温烧结。本发明，有效利用低温下铝粉的氧化和铝粉与氧化镁粉在空气中氧化合成反应来形成尖晶石，利用高分子氧化燃烧去除来实现多孔结构，该多孔结构由于铝粉氧化及其和氧化镁的合成反应形成尖晶石具有一定的强度而不至于多孔结构的坍塌。随后续温度提高，铝粉经完全氧化转化为氧化铝、铝粉和氧化铝与氧化镁、或铝粉与氧化镁在空气中的合成反应形成多孔的镁铝尖晶石结构陶瓷。该制造工艺简单，多孔结构通过相应的制造工艺进行有效控制，易于实现批量生产。

说明书

技术领域

本发明属于高温无机材料陶瓷领域，提出通过反应合成一种多孔或称泡沫镁铝尖晶石陶瓷的制备方法。可以用于冶金，机械和电子等多个工程应用领域。

背景技术

镁铝尖晶石是一种具有热膨胀系数低且耐高温，抗冲击，高强度，良好的电绝缘性能和耐急冷急热能力的陶瓷。多孔结构镁铝尖晶石是一种重要的冶金工业用保温耐火和过滤等多用途的轻质陶瓷材料。关于镁铝尖晶石的制造方法，大都涉及的是致密结构镁铝尖晶石制备方法，仅仅很少部分涉及到轻质结构镁铝尖晶石的制造方法。中国专利说明书CN1382665、发明名称为：合成镁铝尖晶石的方法，是以高铝矾土和轻烧氧化镁为原料，按一定比例配料、混合细磨外加结合剂、混合、半干成型，坯体干燥后，高温烧结，从而制得镁铝尖晶石。中国专利说明书CN101265082、 发明名称为: 一种透明镁铝尖晶石陶瓷的制备方法, 是在反应器中加入高纯镁、高纯铝、异丙醇、微量HgCl₂，控制高纯镁和高纯铝的摩尔比为n＝1～5；缓慢加热，回流；反应完毕后将溶液静置澄清，将清液进行蒸馏，得到异丙醇镁铝；将异丙醇镁铝进行水解，水解产物干燥，干燥后产物煅烧，制得尖晶石高纯粉末；将磨细LiF作为助烧剂加入到尖晶石粉末中，在高温高压下成型，烧结体经过退火处理后进行粗磨、细磨、抛光，即得到透明多晶镁铝尖晶石。实际上其方法本质和上述四个专利是相似的，仅仅是原料不同，反应过程不同，但工艺方法都是通过制得尖晶石粉后再经高温高压成型和烧结。上述各种方法，均为生产致密的镁铝尖晶石。对于轻质多孔的镁铝尖晶石的制备一般采用液体挂浆结合高温烧结制得，存在的主要问题是: (1) 固态实体部分的多孔结构的棱或称为边粗细不均；(2) 孔隙率分布均匀性差；(3) 孔径的大小和孔隙率的高低难以有效控制，完全取决于泡沫先驱体结构本身，当大孔径时，泡沫挂浆不匀称，使得孔的棱或边易破碎；当孔径很小时，因泡沫挂浆浓度变化，使得部分小孔易堵塞而影响开孔程度和质量。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的在于提供一种反应合成多孔镁铝尖晶石的制备方法，通过微米级铝粉和微米级或纳米级氧化镁陶瓷粉及热固性或可改性的热塑性高分子粉末等混合，利用加入的高分子含量在后续氧化燃烧去除过程来调节所需的孔隙率，并利用铝粉在空气中的氧化和铝粉在空气中与氧化镁颗粒反应逐步形成尖晶石及其长大的过程来满足粉末混合体系在高分子燃烧去除和相应的孔洞形成过程中具有一定低、中温强度，然后进行持续高温反应和烧结，制备成所需孔隙率的多孔镁铝尖晶石陶瓷的方法。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种反应合成多孔镁铝尖晶石的制备方法，以原子百分比或摩尔比和体积百分比计，包括以下步骤：1）粉末混合过筛；2）装入模具；3）预热成型；4）保温；5）放入氧化炉；6）氧化处理；7）高温烧结；其特征在于：

1）、粉末混合过筛：先将氧化镁粉末与铝粉1:2原子百分比比例混合后再与热固性或可改性的热塑性高分子粉末以一定体积百分比的比例混合，其中高分子的比例按照所需孔隙率50-80%的体积百分比加入；在混粉过程中加入20-30粒直径为10-12毫米的氧化铝陶瓷球或钢球以便混合均匀，在V形结构容器中混粉时间为2-4小时，转速为40-80转/分、用小于10-12毫米的粗网格过筛，以便取出陶瓷球或钢球，将混合后制得的粉末置入具有盖子的塑料容器内，备用；

所述的热固性或可改性的热塑性高分子粉末是聚胺脂、酚醛树脂或环氧树脂聚乙烯/聚丙烯。

所述的铝粉、氧化镁和热固性或改性的热塑性高分子材料粉末的粒度在1- 100微米之间，其中氧化镁的粒度或选用纳米级，为10纳米-100纳米之间。

2）、装入模具：取一定量上述混合好的粉末装入具有耐热不粘涂层的光滑模具内并盖上压板或盖子，压板或盖子和粉末接触面同样需要有不粘涂层；

3）、预热低温成型：将上述模具放入已经预热的空气循环炉或平板炉内，进行低温成型处理；

所述的空气循环炉内预热成型时，其置入已预热成型温度为180-250℃，成型时间为8-12分钟。

所述的平板炉的低温成型时，其混合的粉末沉积在涂有不粘涂层的铝板模具和盖板后，置入已预热成型温度为180-250 ℃，成型时间为3-5分钟。

4）、保温：将经预热成型后的模具转入另一已预热至130 ℃的炉子内保温，保温时间≥2小时，待混合的高分子粉末固化，模具降温后，取出固化的材料；

5）、放入氧化炉：将上述取出的固化材料，放置在较薄的轻质氧化铝或其他高温陶瓷板或高温蜂窝陶瓷板上，用小陶瓷块支撑并放上多孔高温陶瓷盖板，放入空气循环的氧化炉内；

所述的蜂窝陶瓷板的网格孔径≤3毫米 。

6）、氧化处理：将氧化炉从室温加热至600-650℃，加热时间为3小时，保温1-2小时后，待冷却后或直接转入高温烧结炉内；

7)、高温烧结: 将氧化的材料转入高温烧结炉内再加热到1650-1800 ℃，加热速度为2-3小时，保温1-2小时，然后随炉冷却至100℃以下，从炉子中取出，即为制得的多孔镁铝尖晶石陶瓷；按照所需尺寸规格进行切割。

本发明：有效利用低温下铝粉的氧化和铝粉与氧化镁粉在空气中氧化合成反应来形成尖晶石，利用高分子氧化燃烧去除来实现多孔结构，该多孔结构由于铝粉氧化及其和氧化镁的合成反应形成尖晶石具有一定的强度而不至于高分子去除后形成多孔结构的坍塌。随后续温度提高，铝粉经完全氧化转化为氧化铝、铝粉和氧化铝与氧化镁、或铝粉与氧化镁在空气中的合成反应形成多孔的镁铝尖晶石结构陶瓷。该制造工艺简单，多孔结构可以通过相应的制造工艺进行有效控制，易于实现批量工业化生产。 

具体实施方式

一种反应合成多孔镁铝尖晶石的制备方法，包括以下步骤：

 1、粉末混合过筛：将氧化镁粉末与铝粉(原子百分比为1:2) 以及和热固性或可改性的热塑性高分子粉末如聚胺脂粉末以所需的成分比例配比(其中高分子的比例将按照所需孔隙率如50-80%的体积百分比加入) ，在混粉过程中加入20-30粒直径为10-12毫米的氧化铝陶瓷球或钢球以便混合均匀，在V形结构容器中混粉时间为2-4小时以上，转速为40-80转/分、用小于所用球的尺寸10-12毫米的粗网格过筛以便取出陶瓷球或钢球，置入具有盖子的塑料容器内备用，其组成中上述各种粉末材料的粒度要求在100微米以内，如铝粉，氧化镁粉，高分子粉的粒度需要在100微米以内，其中铝粉粒度最好小于50微米但大于1或数微米，以保证铝粉保存的安全以及后续粉末混合和低温发泡过程中不至于氧化燃烧，同时也保证在加热过程中发生完全的氧化和合成反应，而不至于残留导致在后续高温加热过程中的熔化，氧化镁粉末的粒度可以越小越好，可以是微米级，亚微米级甚至是纳米级。高分子的粒度对最后材料的孔径尺寸有决定作用，所以如果需要孔径尺寸小，需要选择高分子的粒度相对要小为原则。

2、装入模具：取一定量的混粉装入具有耐热不粘涂层的光滑模具内并盖上压板或盖子，压板或盖子和混粉接触面同样需要有不粘涂层。

3、预热成型：将上述模具放入已经预热的空气循环炉或平板炉内，进行低温成型处理。 当用空气循环炉内预热成型时，其置入已预热炉子的成型温度为180-250℃，成型时间为8-12分钟；当用平板炉的低温成型时，其置入已预热炉子的成型温度为180-250 ℃，成型时间为3-5分钟。

4、保温：将经预热成型后的模具转入另一已预热至130 ℃的炉子内保温，保温时间大于等于2小时，混合的高分子粉末固化，待模具降温后，取出固化的材料。

5、放入氧化炉：将上述取出的固化材料，放置在较薄的轻质氧化铝或其他高温陶瓷板或高温蜂窝陶瓷板上，用小陶瓷块支撑并放上多孔高温陶瓷盖板，放入空气循环的氧化炉内；高温蜂窝陶瓷板的网格孔径小于或等于3毫米。

6、氧化处理：将氧化炉从室温加热至600-650℃，加热时间为3小时，保温1-2小时后，待冷却后或直接转入高温烧结炉内；

7、高温烧结: 将氧化的材料转入高温烧结炉内再加热到1650-1800 ℃，加热速度为2-3小时，保温1-2小时，然后随炉冷却至100℃以下，从炉子中取出，即为制得的多孔镁铝尖晶石陶瓷；按照所需尺寸规格进行切割加工满足其多种应用。

本发明的特点：(1) 该方法主要利用高分子低温的流变特性实现低温成型；(2)孔隙的形成主要由后续高分子燃烧去除来产生所需的孔隙率； (3) 孔径的控制可以通过低温成型的热机械处理温度的高低和加热速度的快慢来有效控制； (4) 直接利用微米级铝粉的氧化和铝粉与氧化镁粉在空气中的反应合成来形成尖晶石，特别是在氧化燃烧过程高分子去除时的多孔结构由于铝粉的氧化和尖晶石的形成具有一定的低温强度，该强度随加热温度的不断提高而提高。 (5) 形成的镁铝尖晶石在后续加热过程中不断形核且有一定的生长，但多孔结构的尖晶石晶粒度大小增加有限，经高温烧结反应后其力学性能良好和孔隙率与孔径可控，可以适合多种不同工程应用的需要；(6) 通过此方法制备的多孔结构镁铝尖晶石具有成分纯度高，耐高温等优良的物理和化学性能。