一种耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用

摘要

本发明属于无机多孔材料技术领域，具体涉及一种耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用。本发明所述的耐压泡沫陶瓷材料，包括以下质量含量的组分：碳化硅40～45％、氮化硅15～18％、莫来石10～15％、塞隆3～5％、碳3～5％和余量的磷酸铝；所述碳以碳网形式存在。本发明以莫来石和塞隆为粘结相，使碳化硅、氮化硅更好的与碳网结合，再配合磷酸铝的强化作用，得到耐压性能优异的泡沫陶瓷材料。实施例结果表明，本发明提供的耐压泡沫陶瓷材料的耐压强度为2.3～2.5MPa，耐碎裂性能好，使用后仍能保持完整的结构。

权利要求

1.一种耐压泡沫陶瓷材料，包括以下质量含量的组分：碳化硅40 45%、氮化硅15 18%、~ ~

莫来石10 15%、塞隆3 5%、碳3 5%和余量的磷酸铝；所述碳以三维碳网形式存在；

~ ~ ~

所述耐压泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：将部分原料进行混合，得到陶瓷浆料；

将有机发泡体浸渍在所述陶瓷浆料中，再依次进行挤压和烘干，得到素坯；

将所述素坯进行烧结，得到耐压泡沫陶瓷材料；

所述部分原料包括以下质量份的组分：碳化硅32 37份、氮化硅12 16份、二氧化硅4 6~ ~ ~

份、磷酸二氢铝21 24份、分散剂0.3 0.8份和水21 24份；

~ ~ ~

所述烧结为分段式烧结，所述分段式烧结包括第一阶段烧结，所述第一阶段烧结的温度为280 350℃，保温时间为1.5 3h；

~ ~

所述分段式烧结包括第二阶段烧结，所述第二阶段烧结的温度为1350 1400℃，保温时~

间为3 5h；所述碳化硅的粒径为5 15μm；所述氮化硅的粒径为5 15μm；

~ ~ 2 ~

所述二氧化硅的比表面积为180 300m/g；

~

所述分散剂包括亚甲基双萘磺酸钠和/或聚乙二醇；所述有机发泡体包括聚氨酯海绵或聚醚海绵；

升温至第一阶段烧结所需温度的速度为0.8 1.5℃/min；

~

所述第二阶段烧结的温度通过阶梯式升温达到；所述阶梯式升温包括：采用第I升温速率，由预烧结温度升温至第一温度；

采用第II升温速率，由所述第一温度升温至第二温度；

采用第III升温速率，由所述第二温度升温至烧结温度；

所述第I和第III升温速率独立地为0.8 1.2℃/min；

~

所述第II升温速率为2.5 4.0℃/min；

~

所述第一温度为500 700℃；

~

所述第二温度为1100 1250℃。

~

2.如权利要求1所述的耐压泡沫陶瓷材料，其特征在于，所述耐压泡沫陶瓷材料的密度3

为0.40 0.45g/cm。

~

3.权利要求1或2所述的耐压泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：将部分原料进行混合，得到陶瓷浆料；

将有机发泡体浸渍在所述陶瓷浆料中，再依次进行挤压和烘干，得到素坯；

将所述素坯进行烧结，得到耐压泡沫陶瓷材料；

所述部分原料包括以下质量份的组分：碳化硅32 37份、氮化硅12 16份、二氧化硅4 6~ ~ ~

份、磷酸二氢铝21 24份、分散剂0.3 0.8份和水21 24份；

~ ~ ~

所述烧结为分段式烧结，所述分段式烧结包括第一阶段烧结，所述第一阶段烧结的温度为280 350℃，保温时间为1.5 3h；

~ ~

所述分段式烧结包括第二阶段烧结，所述第二阶段烧结的温度为1350 1400℃，保温时~

间为3 5h；所述碳化硅的粒径为5 15μm；所述氮化硅的粒径为5 15μm；

~ ~ ~

2

所述二氧化硅的比表面积为180 300m /g；所述分散剂包括亚甲基双萘磺酸钠和/或聚~

乙二醇；

所述有机发泡体包括聚氨酯海绵或聚醚海绵；升温至第一阶段烧结所需温度的速度为

0.8 1.5℃/min；

~

所述第二阶段烧结的温度通过阶梯式升温达到；所述阶梯式升温包括：采用第I升温速率，由所述预烧结温度升温至第一温度；

采用第II升温速率，由所述第一温度升温至第二温度；

采用第III升温速率，由所述第二温度升温至烧结温度；

所述第I和第III升温速率独立地为0.8 1.2℃/min；

~

所述第II升温速率为2.5 4.0℃/min;~

所述第一温度为500 700℃；

~

所述第二温度为1100 1250℃。

~

4.权利要求1或2所述的耐压泡沫陶瓷材料或权利要求3所述的制备方法得到的耐压泡沫陶瓷材料在熔炼和浇铸工艺中的应用。

说明书

一种耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于无机多孔材料技术领域，具体涉及一种耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 在铝及其合金的熔炼与浇铸过程中，无机夹杂物是导致铸件报废的主要原因之一。夹杂缺陷不仅影响制品外观，而且严重降低制品的机械性能与使用寿命，因此，减少无
机夹杂物是生产高质量铸件的关键。

[0003] 泡沫陶瓷过滤器，可以通过机械拦截、整流浮渣和深层吸附三种过滤净化机制减少无机夹杂物，降低或消除铸件缺陷，是提高合金成品率以及加工性能的关键因素之一。传
统的陶瓷过滤器多为氧化铝质，这种材料的耐压强度大约为1.4～1.8MPa，使用后清除过程
中容易碎裂成块，给清除工作带来不便，甚至可能会给下批产品带来夹杂污染。虽然可以通
过更换来解决这个问题，但这势必造成增加停机次数，降低企业的生产效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用，本发明提供的泡沫陶瓷材料耐压强度高，使用过程中不易碎裂。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种耐压泡沫陶瓷材料，包括以下质量含量的组分：碳化硅40～45％、氮化硅15～18％、莫来石10～15％、塞隆3～5％、碳3～5％和余量的磷酸铝；所述碳以
三维碳网形式存在。

[0007] 优选的，所述耐压泡沫陶瓷材料的密度为0.40～0.45g/cm3。

[0008] 本发明提供了上述技术方案所述的耐压泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 将部分原料进行混合，得到陶瓷浆料；

[0010] 将有机发泡体浸渍在所述陶瓷浆料中，再依次进行挤压和烘干，得到素坯；

[0011] 将所述素坯进行烧结，得到耐压泡沫陶瓷材料；

[0012] 所述部分原料包括以下质量份的组分：碳化硅32～37份、氮化硅12～16份、二氧化硅4～6份、磷酸二氢铝21～24份、分散剂0.3～0.8份和水21～24份。

[0013] 优选的，所述碳化硅的粒径为5～15μm；所述氮化硅的粒径为5～15μm；所述二氧化2
硅的比表面积为180～300m/g。

[0014] 优选的，所述分散剂包括亚甲基双萘磺酸钠和/或聚乙二醇。

[0015] 优选的，所述有机发泡体包括聚氨酯海绵或聚醚海绵。

[0016] 优选的，所述烧结为分段式烧结，所述分段式烧结包括第一阶段烧结，所述第一阶段烧结的温度为280～350℃，保温时间为1.5～3h。

[0017] 优选的，所述分段式烧结包括第二阶段烧结，所述第二阶段烧结的温度为1350～1400℃，保温时间为3～5h。

[0018] 优选的，升温至第一阶段烧结所需温度的速度为0.8～1.5℃/min；

[0019] 所述第二阶段烧结的温度通过阶梯式升温达到；所述阶梯式升温包括：

[0020] 采用第I升温速率，由所述预烧结温度升温至第一温度；

[0021] 采用第II升温速率，由所述第一温度升温至第二温度；

[0022] 采用第III升温速率，由所述第二温度升温至烧结温度；

[0023] 所述第I和第III升温速率独立地为0.8～1.2℃/min；

[0024] 所述第II升温速率为2.5～4.0℃/min；

[0025] 所述第一温度为500～700℃；

[0026] 所述第二温度为1100～1250℃。

[0027] 本发明提供了上述技术方案所述的耐压泡沫陶瓷材料或上述技术方案所述的制备方法得到的耐压泡沫陶瓷材料在熔炼和浇铸工艺中的应用。

[0028] 本发明提供一种耐压泡沫陶瓷材料，包括以下质量含量的组分：碳化硅40～45％、氮化硅15～18％、莫来石10～15％、塞隆3～5％、碳3～5％和余量的磷酸铝；所述碳以三维
碳网形式存在。本发明以莫来石和塞隆为粘结相，使碳化硅、氮化硅更好的与碳网结合，再
配合磷酸铝的强化作用，得到耐压性能优异的泡沫陶瓷材料。实施例结果表明，本发明提供
的耐压泡沫陶瓷材料的耐压强度为2.3～2.5MPa。本发明提供的泡沫陶瓷与传统泡沫陶瓷
相比耐碎裂性好，在使用结束后依然能保持较为完整的结构,易于清理，不会给铝熔体引入
新的夹杂物。

具体实施方式

[0029] 本发明提供了一种耐压泡沫陶瓷材料，包括以下质量含量的组分：碳化硅40～45％、氮化硅15～18％、莫来石10～15％、塞隆3～5％、碳3～5％和余量的磷酸铝；所述碳以
三维碳网形式存在。

[0030] 以质量含量计，本发明提供的耐压泡沫陶瓷材料包括：碳化硅40～45％，优选为41～44％，再优选为42～43％；氮化硅15～18％，优选为15.5～17.5％，更优选为16～17％；莫
来石10～15％，优选为11～14，更优选为12～13；塞隆3～5％，优选为3.5～4.5％，更优选为
4％；碳3～5％以及余量的磷酸铝。

[0031] 在本发明中，所述碳以三维碳网形式存在，所述三维碳网结构替代传统陶瓷孔筋中的中空结构，可以显著提高陶瓷材料的耐压强度、抗热震性和抗碎裂性；而莫来石相、塞
隆相结合碳化硅和氮化硅，能进一步提高泡沫陶瓷材料的抗热震性能和耐铝液侵蚀性能。

[0032] 在本发明中，所述耐压泡沫陶瓷材料具有孔隙，所述孔隙的结构由有机发泡体决定，在制备方法部分会有相关说明。在本发明中，所述耐压泡沫陶瓷材料的密度为0.40～
3
0.45g/cm ；耐压强度为2.3～2.5MPa；所述耐压泡沫陶瓷材料经燃气火焰直接烘烤基本不
掉渣，材料外观完好无损。

[0033] 本发明提供了上述技术方案所述耐压泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

[0034] 将部分原料进行混合，得到陶瓷浆料；

[0035] 将有机发泡体浸渍在所述陶瓷浆料中，再依次进行挤压和烘干，得到素坯；

[0036] 将所述素坯进行烧结，得到耐压泡沫陶瓷材料；

[0037] 所述部分原料包括以下质量份的组分：碳化硅32～37份、氮化硅12～16份、二氧化硅4～6份、磷酸二氢铝21～24份、分散剂0.3～0.8份和水21～24份。

[0038] 本发明将部分原料进行混合，得到陶瓷浆料。在本发明中，以质量份计，所述部分原料包括碳化硅32～37份，优选为33～36份，更优选为34～35份。在本发明中，所述碳化硅
的粒径优选为5～15μm；具体可以为5～10μm，10～15μm或者5～15μm。

[0039] 以所述碳化硅的质量份为基准，本发明所述部分原料包括氮化硅12～16份，优选为13～15份，更优选为14份。在本发明中所述氮化硅的粒径优选为5～15μm；具体可以为5～
10μm，10～15μm或者5～15μm。

[0040] 以所述碳化硅的质量份为基准，本发明所述部分原料包括二氧化硅(白炭黑)4～6份，优选为4.5～5.5份，更优选为5份。在本发明中，所述二氧化硅的比表面积优选为180～
2 2
300m/g，更优选为200～280m/g。

[0041] 以所述碳化硅的质量份为基准，本发明所述部分原料包括磷酸二氢铝21～24份，优选为21.5～23.5份，更优选为22～23份。

[0042] 以所述碳化硅的质量份为基准，本发明所述部分原料包括分散剂0.3～0.8份，优选为0.4～0.7份，再优选为0.5～0.6份。在本发明中，所述分散剂优选包括亚甲基双萘磺酸
钠和/或聚乙二醇，更优选为亚甲基双萘磺酸钠或聚乙二醇；所述分散剂为两种组分的混合
物时，本发明对所述混合物中各组分的用量不做任何特殊限定。

[0043] 以所述碳化硅的质量份为基准，本发明所述部分原料包括水21～24份，优选为21.5～23.5份，更优选为22～23份。

[0044] 本发明对所述部分原料的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式，能使各组分充分分散即可。

[0045] 本发明以所述用量的碳化硅和氮化硅为主料，在分散剂的作用下，能够与二氧化硅、磷酸二氢铝均匀混合，进而得到均匀且稳定的陶瓷浆料，为制备耐压泡沫陶瓷材料提供
物料基础。

[0046] 得到陶瓷浆料后，本发明将有机发泡体浸渍在所述陶瓷浆料中，再依次进行挤压和烘干，得到素坯。在本发明中，所述有机发泡体优选包括聚氨酯海绵或聚醚海绵，更优选
为聚氨酯海绵。本发明对所述有机发泡体的孔隙没有特殊要求，根据实际需要采用对应海
绵质(PPI)的有机发泡体即可，例如可以选用30PPI、35PPI、40PPI、45PPI或50PPI发热海绵
作为前驱体，制备耐压泡沫陶瓷材料。在本发明具体实施过程中，所述有机发泡体优选为德
国EMW或者洛阳市中迪过滤材料有限公司的市售产品。

[0047] 本发明对所述浸渍过程没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。浸渍后，本发明对浸渍有陶瓷浆料的有机发泡体进行挤压，以去除多余陶瓷浆料。在本发明
中，挤压后有机发泡体吸附的陶瓷浆料的质量优选以湿坯密度表示，所述湿坯密度优选为
3 3
0.50～0.56g/cm，更优选为0.52～0.54g/cm。

[0048] 挤压后，本发明对挤压后的物料进行烘干，以得到可烧结的素坯。在本发明中，所述烘干的方式优选为两步烘干，所述两步烘干优选包括低温烘干和高温烘干，所述低温烘
干的温度优选为50～60℃，更优选为55～60℃，低温烘干的时间优选为8～12h，更优选为9
～10h；所述高温烘干的温度优选为80～120℃，更优选为80～100℃，烘干的时间优选为6～
8h，再优选为7～8h。本发明先在低温条件下缓慢烘干，避免水分蒸发过快，导致素坯出现裂
纹，然后再在高温条件下进行烘干，确保水分完全去除，得到适宜烧结的素坯。

[0049] 得到素坯后，本发明将所述素坯进行烧结，得到耐压泡沫陶瓷材料。在本发明中，所述烧结优选在氮气气氛下进行，以得到碳网结构；所述烧结优选为分段烧结，所述分段烧
结优选包括第一阶段烧结和第二阶段烧结。

[0050] 在本发明中，所述第一阶段烧结的温度优选为280～350℃，更优选为290～340℃，再优选为300～320℃；保温时间优选为1.5～3h，更优选为2～2.5h。在本发明中，升温至第
一阶段烧结所需温度的速度优选为0.8～1.5℃/min，更优选为0.9～1.4℃/min，再优选为
1.0～1.2℃/min。

[0051] 在本发明中，所述第二阶段烧结的温度优选为1350～1400℃，更优选为1355～1395℃，再优选为1360～1385℃；保温时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h，再优选为4h。
在本发明中，所述第二阶段烧结的温度优选通过阶梯式升温达到，所述阶梯式升温优选包
括：

[0052] 采用第I升温速率，由所述预烧结温度升温至第一温度；所述第I升温独立优选为0.8～1.2℃/min，更优选为0.9～1.1℃/min，再优选为1.0℃/min；所述第一温度优选为500
～700℃，更优选为550～650℃，再优选为575～625℃；

[0053] 采用第II升温速率，由所述第一温度升温至第二温度；在本发明中，所述第II升温速率优选为2.5～4.0℃/min，更优选为2.8～3.7℃/min，再优选为3.0～3.5℃/min；所述第
二温度优选为1100～1250℃，更优选为1125～1225℃，再优选为1150～1200℃；

[0054] 采用第III升温速率，由所述第二温度升温至烧结温度；在本发明中，所述第III升温速率的选择范围优选与上述技术方案所述第I升温速度的选择范围一致，此处不再重复。

[0055] 本发明优选通过上述升温方式，能够控制有机发泡体(海绵)的燃烧挥发速率，避免制品坍塌，且能转化生成更为稳定的碳网结构，并最终得到耐压泡沫陶瓷材料。

[0056] 本发明还提供了上述技术方案所述的耐压泡沫陶瓷材料或上述技术方案所述的制备方法得到的耐压泡沫陶瓷材料在制备熔炼和浇铸设备中的应用。本发明对所述应用的
具体方式没有特殊要求，采用本领域技人员熟知的即可。

[0057] 为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种耐压泡沫陶瓷材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0058] 实施例1

[0059] 将碳化硅、氮化硅、二氧化硅、磷酸二氢铝、分散剂(聚乙二醇)和水混合，在2000r/min的速度下搅拌5min，得到陶瓷浆料；将聚氨酯海绵(尺寸为305mm*305mm*50mm,，40PPI)
3
浸渍在陶瓷浆料中，挤出多余的浆料，得到密度为0.55g/cm 的湿坯，60℃烘干8h，然后在
120℃烘干8h，得到素坯；将素坯装窑，烧结；先将温度以1℃/min的速度升温至300℃，保温
2h，然后再将温度以1℃/min的速度升温至600℃；接着按照3℃/min的速度升温至1200℃，
再以1℃/min的速度升温至1350℃，保温4h；预烧结和烧结的整个过程在氮气保护下进行，
烧结后随炉冷却，得到耐压泡沫陶瓷材料。

[0060] 各原料的用量可见表1。

[0061] 实施例2～4

[0062] 按照实施例1的方式制备耐压泡沫陶瓷，组分含量及烧结参数的差别列在表1和2中；其中实施例2的分散剂为亚甲基双萘磺酸钠。

[0063] 表1实施例1～4部分原料的用量

[0064]

[0065]

[0066] 表2实施例1～4工艺参数

[0067]

[0068] 性能表征及结果

[0069] 采用泡沫陶瓷过滤器标准JC T 895‑2001，对实施例1～4所得材料的耐压性能进行表征；

[0070] 按照质量除以体积的方式计算实施例1～4所得产品的密度，其中质量直接称量得到，体积以排溶剂法测量得到；

[0071] 用燃气火焰喷烤，肉眼观察实施例1～4所得产品的掉渣情况，以表征材料的抗热震性能。

[0072] 表3实施例1～4所得产品的性能测试结果

[0073]性能表征 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
3
密度(g/cm) 0.42 0.40 0.41 0.44
耐压强度(MPa) 2.5 2.4 2.5 2.3
抗热震性能 无掉渣 无掉渣 无掉渣 无掉渣

[0074] 由表3的测试结果可知，本方案提供的耐压泡沫材料的密度较低，耐压强度较高，使用燃气火焰喷烤，仍能保持完整结构，无明显掉渣，且耐铝液腐蚀，可用于铝合金液过的
滤用。

[0075] 尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些
实施例都属于本发明保护范围。