一種多孔陶瓷—金屬復合膜材料的制備方法技術

本發明專利技術提供了一種多孔陶瓷—金屬復合膜材料的制備方法，以陶瓷為剛性外模，在其內表面制備陶瓷涂層，再將金屬粉體添加至剛性外模與彈性內模間的空腔內，密封后冷等靜壓成型，將壓制成型的多孔陶瓷—金屬復合膜坯體連同剛性外模一起燒結，燒結體與剛性外模分離后制得。本發明專利技術通過對制備工藝的改進，將陶瓷涂層與金屬粉體等靜壓成型后在高溫條件下共燒，使坯體中的多孔金屬基體與陶瓷膜層在燒結時在剛性外模壓應力作用下同步膨脹，制得的多孔復合膜材料陶瓷膜層附著力強、強度高，且膜層光滑、平整、無缺陷，提高了多孔復合膜材料的實用性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種多孔復合膜材料的制備方法，尤其涉及一種陶瓷層表面平整、附著力強的多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法。
技術介紹
膜分離法無需相變過程，具有節能、高效、操作簡便、環境友好等特點，受到世界各國和諸多行業的極大關注。目前已在石油化工、生物醫藥和食品等領域的分離與純化過程中得到廣泛應用。隨著膜技術應用領域的不斷拓展，對膜的性能提出了更高要求。 根據膜材質的不同，可將其分為無機膜和有機膜兩大類，其中無機膜具有強度高、化學性能穩定、耐熱、耐溶劑、耐生物性能好等特點，可彌補有機膜的不足。而無機膜又分為陶瓷膜和金屬膜。相對而言，陶瓷膜的孔徑更小，化學與熱穩定性更好，在微濾、超濾、納濾等領域均得到應用。然而陶瓷膜屬脆性材料，而且在高溫條件下使用不易密封。多孔金屬，尤其是多孔不銹鋼則在這方面具有突出的優勢。然而與陶瓷膜相比，多孔金屬膜的孔徑很難像陶瓷膜那樣縮小到納米級，其主要原因是難以制備粒度均勻、性能穩定的納米級金屬粉體。不銹鋼的特殊組成與晶體結構使其具有任何單金屬無法比擬的優點，然而正是這個原因，其粒徑很難再細，否則其組成將會發生偏移，性能也將發生變化；其他單金屬雖能獲得納米級粉體，但難以具備同不銹鋼一樣穩定的性質。為兼具多孔金屬膜的高機械強度以及陶瓷膜的高分離精度，人們提出了多孔陶瓷一金屬復合膜的產品概念，即以高強度的大孔徑金屬為基體、微孔陶瓷為膜層形成復合膜材料。理想的復合膜應具備膜層完整、空隙率大，物理強度高等特點，且要易于制備。其中強度高既是指陶瓷膜層和多孔金屬基體之間有足夠的附著力，同時陶瓷層本身也不能過于酥松，否則陶瓷層在使用過程中易損壞；而高的孔隙度可以實現高的膜通量；易于制備較大面積的涂層，則便于降低成本，有助于商業應用。然而，上述要求中陶瓷層強度高是最難以實現的，主要原因在于陶瓷和金屬是性質完全不同的材料，兩者缺乏親和力，并且熱膨脹系數顯著不同。制備復合膜陶瓷層的材料有A1203、Ti02、Si02、Zr02、YSZ (釔穩定氧化鋯，Zra92Yatl8Ox)等，目前的制備方法多參考陶瓷膜的制備技術，如溶膠-凝膠法、熱噴涂法(thermal spray)、磁控灘射法(magnetron sputtering)、濕粉噴涂法(wet powderspray)、刷涂法(brush coating)等。溶膠一凝膠法和濕粉噴涂法制備的陶瓷膜層孔徑均勻，缺陷較少，但往往附著力差、易脫落。熱噴涂法、磁控濺射法是通過熱源將陶瓷粉體加熱至熔融或半熔融狀態，噴涂至基體上形成涂層，其附著力高，易于制備，但制備的膜層往往過于致密、孔隙率偏低，且易出現裂紋、大孔等缺陷，很難滿足實際使用要求。總之，現有的諸多復合膜的制備方法或是工藝復雜、成本太高，或是產品性能難以滿足要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于改進現有多孔陶瓷一金屬復合膜的制備方法所存在的陶瓷膜層附著力差，制備工藝中涂層過程與燒結工序復雜，膜層光潔度差、缺陷多等問題，提出一種多孔陶瓷一金屬復合膜的制備方法，特別是膜面平整、無缺陷的高強度多孔復合膜材料的制備方法。眾所周知，金屬與陶瓷的熱膨脹系數相差較大，以氧化鋁和不銹鋼為例，其膨脹系數相差近一倍，因此，通常很難將其燒結在一起。本專利技術的解決思路是改進制備工藝，使多孔金屬基體與陶瓷膜層在燒結時同步膨脹，在高溫條件下共燒，形成高強度多孔陶瓷一金屬復合膜材料。本專利技術采用的技術方案如下 一種多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于以陶瓷為剛性外模，在其內表面制備陶瓷涂層，再將金屬粉體添加至剛性外模與彈性內模間的空腔內，密封后冷等靜壓成型，將壓制成型的多孔陶瓷一金屬復合膜坯體連同剛性外模一起燒結，燒結體與剛性外模分離后制得。本專利技術的制備方法，將陶瓷涂層與金屬粉體等靜壓成型后同時燒結，其優點至少包括首先在復合膜坯體熱處理升溫過程中，剛性外模阻止了金屬粉末及陶瓷涂層的膨脹，促使金屬和陶瓷粉體隨剛性陶瓷外模同步膨脹，避免了因金屬與陶瓷層材料的熱膨脹系數差異導致的缺陷；其次，由金屬粉體構成的坯體比已燒結的多孔金屬擁有更高的比表面積，與陶瓷粉體的接觸面積大大提高，在合適的焙燒溫度下，金屬粉體表面產生的初始液相可與陶瓷層之間產生更好的浸潤效果；第三，陶瓷層夾在金屬粉體與模具之間，金屬的膨脹使得陶瓷層受到壓應力，有利于陶瓷層與金屬以及陶瓷層本身的燒結，有效提高了多孔陶瓷一金屬復合膜材料的強度、附著力等，而且在成型和燒結過程中，陶瓷層本身受到壓力使其表面貼合于剛性陶瓷模具表面，形成表面平整、無缺陷的陶瓷膜層。所述的多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其具體制備過程包括以下步驟 (a)將陶瓷粉體與添加劑混合形成懸浮液，在剛性陶瓷外模(I)內表面制備陶瓷涂層(4)； (b)將制備多孔金屬基體(5)的金屬粉體與造孔劑混合，裝填至內表面為陶瓷涂層(4)的陶瓷外模(I)與彈性內模(2 )之間的空腔內，采用彈性封頭(3 )將空腔密封后，放入冷等靜壓機的高壓缸內壓制成形； (C)將彈性內模(2)與彈性封頭(3)卸去后，采用熱分解或溶劑溶解方式脫出添加劑；將陶瓷外模(I)與多孔陶瓷一金屬膜坯體一起放入保護性氣氛下燒結，待冷卻后將陶瓷外模(I)與燒結體分離，制得多孔陶瓷一金屬復合膜材料。所述的陶瓷外模材質優選為氧化鋁、氧化鋯、石英、碳化硅、氮化硅或堇青石。對于非致密的陶瓷外模材料，可采用塑料管將其外表面包覆，以確保等靜壓成型時，液壓油不會滲入到多孔陶瓷一金屬復合膜的坯體內；所述的塑料包覆管優選為PVC熱縮管。所述的彈性內模和彈性封頭材質為塑料管，優選聚氨酯、硅橡膠管、氟橡膠或聚氯乙烯。所述的內、外模之間的空腔厚度為通常為I - 5 _。本專利技術中采用平均粒徑為O. 01 - 5 Mffl的陶瓷粉體為制備陶瓷涂層的原料，粒徑優選為O. I - lMm。所述的陶瓷粉體的主要成分為Ti02、Al203、Zr02、Si02或YSZ中的一種或幾種。所述的添加劑包括粘結劑、分散劑或消泡劑等，可采用陶瓷涂層制備中各種已知的添加劑，如聚乙烯醇、甲基纖維素或聚乙烯羧丁醛。所述的陶瓷涂層可以是一層或多層，厚度為5 - 200 Mm。當陶瓷涂層為多層結構時，制備各涂層的粉體粒徑是逐步增加的(即最先制備的涂層粉體最細，之后的涂層粉體粒徑依次增加)。陶瓷涂層的制備，先將陶瓷粉體與添加劑攪拌混合，形成穩定的懸浮液，再采用浸潰法或旋涂法在陶瓷外模的內表面制備涂層。制備陶瓷涂層時，每浸潰或旋涂一次需干燥，干燥溫度為50 - 200 0C。本專利技術中制備多孔金屬基體的金屬粉體材料為合金或單金屬，其中合金優選為不銹鋼、鎳基合金、鈦合金或銅合金，單金屬優選為鐵、鎳、鈦、銅或銀；金屬粉末平均粒徑為I - 200 Mffl ;采用的造孔劑為有機物或鹽，其中有機物優選石蠟或硬脂酸；鹽優選氯化鈉、碳酸銨或尿素。所述的制備方法，冷等靜壓成型的壓力為50 - 300 MPa。 本專利技術中制備膜層與金屬基體時使用的添加劑采用熱分解或溶劑溶解的方式去除。采用熱分解去除添加劑時，加熱分解在惰性或還原性氣氛下進行，以O. 5 - 5 V /min的升溫速率升至200 - 600°C，保溫O - 5 h ;采用溶劑溶解去除添加劑時，選用的溶劑不腐蝕金屬膜坯體，且無毒害，優選為水或乙醇。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多孔陶瓷—金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于：以陶瓷為剛性外模，在其內表面制備陶瓷涂層，再將金屬粉體添加至剛性外模與彈性內模間的空腔內，兩端密封后冷等靜壓成型，將壓制成型的多孔陶瓷—金屬復合膜坯體連同剛性外模一起燒結，燒結體與剛性外模分離后制得。

【技術特征摘要】
1.一種多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于以陶瓷為剛性外模，在其內表面制備陶瓷涂層，再將金屬粉體添加至剛性外模與彈性內模間的空腔內，兩端密封后冷等靜壓成型，將壓制成型的多孔陶瓷一金屬復合膜坯體連同剛性外模一起燒結，燒結體與剛性外模分離后制得。2.根據權利要求I所述的多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 Ca)陶瓷粉體與添加劑混合形成懸浮液，在剛性陶瓷外模(I)內表面制備陶瓷涂層(4)； (b)將制備多孔金屬基體(5)的金屬粉體與造孔劑混合，裝填至內表面為陶瓷涂層(4)的陶瓷外模(I)與彈性內模(2 )之間的空腔內，采用彈性封頭(3 )將空腔密封后，放入冷等靜壓機的高壓缸內壓制成形； (c)將彈性內模(2)與彈性封頭(3)卸去后，采用熱分解或溶劑溶解方式脫出添加劑；將陶瓷外模(I)與多孔陶瓷一金屬膜坯體一起放入保護性氣氛下燒結，待冷卻后將陶瓷外模(I)與燒結體分離，制得多孔陶瓷一金屬復合膜材料。3.根據權利要求2所述的多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于所述的陶瓷外模(I)材質為氧化鋁、氧化鋯、石英、碳化硅、氮化硅或堇青石。4.根據權利要求2所述的多孔陶瓷一金屬復合膜材料的制備方法，其特征在于所述的陶瓷粉體主要成分...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃彥，俞健，袁琪琛，吳偉，魏磊，胡小娟，宋軍，
申請(專利權)人：南京髙謙功能材料科技有限公司，
類型：發明
國別省市：