本发明涉及仿生多孔陶瓷材料的制备，特别涉及一种轻质隔热高强度莫来石材料及其制备方法。
背景技术：
多孔陶瓷除了具有耐高温、耐腐蚀、刚度大等优点外，还具有轻质、隔热(热导率低)、热膨胀低和比表面积大等性能。多孔硅铝基莫来石作为多孔陶瓷的一员，以其热震性好、高温强度高、抗高温氧化性好等突出性能，在高温催化剂载体、高温密封、发动机尾气过滤、高温隔热等领域具有广泛的应用前景。高气孔率以及低热导率使得多孔莫来石材料特别适合用于高温工况下器械的隔热保护层，这不仅可以有效的减少因高温氧化带来的资源损耗，而且能很好的降低能源的消耗。在多孔莫来石产品方面，已有莫来石纤维增强多孔莫来石异形零件(dlr)、柴油发动机尾气过滤器(陶氏)等产品的应用。
目前，多孔陶瓷常采用提高气孔率的方法来降低材料的热导率，从而得到轻质高质量的隔热材料。yang等利用发泡凝胶注浆成型法，制备了气孔率81％的多孔莫来石，热导率为0.14w/m导率，密度为0.61g/cm3。bourret等将高岭土加入泡沫浆料中，制备了气孔率大于94％的莫来石，密度下降到了0.19g/cm3，热导率下降到了0.063w/mm，但是强度只有0.23mpa。在多孔陶瓷的力学性能中，材料的强度通常随气孔率的增加呈指数降低。如何增强高气孔率材料的强度，一直是人们的重要研究课题。在提高多孔莫来石的强度上，莫来石纤维和晶须越来越受到人们的重视。首先，莫来石晶须可作为增加体加入到等轴颗粒莫来石中；其次，莫来石纤维或晶须也可作为基体，形成框架结构莫来石。xu等利用莫来石晶须作为基体制备了多孔莫来石，通过在1000℃下煅烧六氟铝酸铵和高岭土的混合物制备硅线石晶须框架，然后再1500℃煅烧得到了莫来石晶须框架。但是这里得到的晶须框架强度较低。其原因是晶须之间为固相烧结机制，1500℃下难以实现高强度的烧结。综上所述，制备轻质隔热高强度莫来石一直是材料制备技术上的难题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种轻质隔热高强度莫来石材料及其制备方法，在高气孔率的前提下实现轻质隔热高强度的结合。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种轻质隔热高强度莫来石材料，所述莫来石材料以多孔莫来石晶须框架为基体，在基体外表面覆盖结合有一层致密莫来石涂层。
优选的，致密莫来石涂层的厚度为5～50μm。
所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备多孔莫来石晶须框架；制备致密莫来石前驱体浆料；
步骤2，将致密莫来石前驱体浆料均匀地喷涂在多孔莫来石晶须框架外表面，干燥后得到多孔莫来石生坯；
步骤3，多孔莫来石生坯经空气气氛下高温烧结，在多孔莫来石晶须框架外表面形成致密莫来石涂层，得到轻质隔热高强度的莫来石材料。
优选的，步骤1中，制备多孔莫来石晶须框架具体为：利用球磨混料将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉制成分散均匀的浆料a；将teos、水和乙醇混合制成溶胶；将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应，将得到的凝胶干燥后，得到莫来石晶须原料粉，然后干压成型制得生坯，在密闭坩埚内高温烧结后，得到多孔莫来石晶须框架；其中，al与si的摩尔比为3:1。
优选的，生坯在密闭环境内烧结的温度为1300～1650℃，保温时间为1～5h。
优选的，步骤1中，制备致密莫来石前驱体浆料具体工艺是：将纳米al2o3粉、纳米sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1。
进一步的，莫来石前驱体浆料的固含量为20％～50％。
进一步的，莫来石前驱体浆料中粘结剂含量为1～5wt％。
优选的，步骤3中，煅烧采用的煅烧制度为：1500～1650℃保温1～5小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在多孔莫来石晶须框架表面制备了致密莫来石层。结果发现，数十微米的致密表层即可使多孔莫来石的抗弯强度提高约30％左右。这是由于多孔陶瓷材料在断裂时，裂纹首先在材料的表面上萌生，进而扩展到内部，直至整体断裂。所以材料的断裂强度对材料的表面状况非常敏感。当材料的表面为致密层时，裂纹产生的难度提高，故而整体材料的强度得到提高。因此这种结构能够兼具高的气孔率和力学强度，实现了低热导率、轻质和高强度的结合。
附图说明
图1为实施例一中制备的复合结构莫来石的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
本发明首先利用高强度的莫来石晶须为基材，制备高气孔率的多孔莫来石晶须框架基体。高气孔率为轻质和隔热性能奠定了良好的基础。通过与表面的致密莫来石涂层复合后，多孔莫来石晶须框架基体的抗弯强度得到明显提高。而材料整体的气孔率受致密层影响很小，所以本发明的复合结构莫来石实现了轻质隔热和高强度的结合。
一种轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：多孔莫来石晶须框架的制备：首先将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉进行球磨，得到浆料a；然后将teos、水和乙醇制成溶胶；最后将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应。将凝胶彻底干燥后，得到莫来石晶须原料粉，其中al：si的摩尔比为3:1。然后干压成型制得生坯，在密闭坩埚内高温烧结后，得到多孔莫来石晶须框架。
步骤2：多孔莫来石晶须框架表面的致密莫来石涂层制备：将为500纳米粒径的al2o3粉、30纳米的sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，得到致密莫来石前驱体浆料，其中al与si之间的摩尔比为3:1，致密莫来石前驱体浆料中pva含量为1～5wt％，浆料固含量为20％～50％。然后将致密莫来石前驱体浆料均匀地喷覆在多孔莫来石晶须框架表层，干燥，得到多孔莫来石生坯。这里不同的固含量得到不同的涂层厚度，以及最终得到不同厚度的致密莫来石涂层。
步骤3：高温煅烧多孔莫来石生坯：将干燥得到的具有涂层的莫来石生坯置于空气炉中，1500～1650℃保温1～5小时实现高温烧结，即可在多孔莫来石晶须框架表面得5～50微米后的致密莫来石涂层。
所述纳米al2o3粉的粒径为500nm，sio2粉的粒径为30nm。
实施例一
本实施例结合一种轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：多孔莫来石晶须框架的制备：首先将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉进行球磨，得到浆料a；然后将teos、水和乙醇制成溶胶；最后将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应。将凝胶彻底干燥后，得到莫来石晶须原料粉，其中al：si的摩尔比为3:1。然后干压成型制得生坯，在相对密闭坩埚内1300℃烧结5h后，得到多孔莫来石晶须框架。
步骤2：晶须框架表面的致密莫来石层制备：将为500纳米粒径的al2o3粉、30纳米的sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1，pva含量为5wt％，浆料固含量为40％。然后将莫来石前驱体浆料均匀地喷覆在多孔莫来石晶须框架表层，干燥后得到多孔莫来石生坯。
步骤3：高温煅烧多孔莫来石生坯：将干燥得到的具有涂层的莫来石生坯置于空气炉中，1600℃保温1小时实现高温烧结，即可在多孔莫来石晶须框架表面得到35微米厚的致密莫来石涂层。
如图1所示，在多孔莫来石晶须框架基体的表面上形成一层致密的涂层。该涂层使材料在60％的高气孔率下仍具有62mpa的抗弯强度，为提高多孔莫来石晶须框架基体的抗弯强度打下了良好的基础，并且测得其热导率为0.63w/(m*k)，致密涂层有效地阻隔了空气沿多孔莫来石晶须框架基体的对流热导，从而降低材料的导热性能。
实施例二
本实施例结合一种轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：多孔莫来石晶须框架的制备：首先将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉进行球磨，得到浆料a；然后将teos、水和乙醇制成溶胶；最后将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应。将凝胶彻底干燥后，得到莫来石晶须原料粉，其中al：si的mol比为3:1。然后干压成型制得生坯，在相对密闭坩埚内1400℃烧结3h后，得到多孔莫来石晶须框架。
步骤2：晶须框架表面的致密莫来石层制备：将为500纳米粒径的al2o3粉、30纳米的sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1，pva含量为1wt％，浆料固含量为20％。然后将莫来石前驱体浆料均匀地喷覆在多孔莫来石晶须框架表层，干燥后得到多孔莫来石生坯。
步骤3：高温煅烧多孔莫来石生坯：将干燥得到的具有涂层的莫来石生坯置于空气炉中，1500℃保温3小时实现高温烧结，即可在多孔莫来石晶须框架表面得到5微米厚的莫来石涂层。
实施例三
本实施例结合一种轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：多孔莫来石晶须框架的制备：首先将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉进行球磨，得到浆料a；然后将teos、水和乙醇制成溶胶；最后将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应。将凝胶彻底干燥后，得到莫来石晶须原料粉，其中al：si的mol比为3:1。然后干压成型制得生坯，在相对密闭坩埚内1500℃烧结4h后，得到多孔莫来石晶须框架。
步骤2：晶须框架表面的致密莫来石层制备：将为500纳米粒径的al2o3粉、30纳米的sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1，pva含量为5wt％，浆料固含量为50％。然后将莫来石前驱体浆料均匀地喷覆在多孔莫来石晶须框架表层，干燥后得到多孔莫来石生坯。
步骤3：高温煅烧多孔莫来石生坯：将干燥得到的具有涂层的莫来石生坯置于空气炉中，1600℃保温5小时实现高温烧结，即可在多孔莫来石晶须框架表面得到50微米厚的莫来石涂层。
实施例四
本实施例结合一种轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：多孔莫来石晶须框架的制备：首先将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉进行球磨，得到浆料a；然后将teos、水和乙醇制成溶胶；最后将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应。将凝胶彻底干燥后，得到莫来石晶须原料粉，其中al：si的mol比为3:1。然后干压成型制得生坯，在相对密闭坩埚内1650℃烧结1h后，得到多孔莫来石晶须框架。
步骤2：晶须框架表面的致密莫来石层制备：将为500纳米粒径的al2o3粉、30纳米的sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1，pva含量为3wt％，浆料固含量为40％。然后将莫来石前驱体浆料均匀地喷覆在多孔莫来石晶须框架表层，干燥后得到多孔莫来石生坯。
步骤3：高温煅烧多孔莫来石生坯：将干燥得到的具有涂层的莫来石生坯置于空气炉中，1650℃保温1小时实现高温烧结，即可在多孔莫来石晶须框架表面得到40微米厚的莫来石涂层。
本发明利用浆料喷涂和高温烧结法在高气孔率多孔莫来石晶须框架表面制备了致密涂层。首先在莫来石晶须框架表面涂覆莫来石前驱体浆料，缓慢干燥制得生坯，再经高温烧结，使表层致密化并与晶须框架紧密结合。通过调整浆料性质、涂层厚度等工艺参数，能够调控涂层与基体的微观结构，从而得到高抗弯强度和降低热导率的仿生结构多孔莫来石。本发明与目前的多孔莫来石材料相比，具有强度更高，密封效果高等优点，有望在军用民用航天器高温隔热材料上得到良好的应用。
上述仅为本发明四个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
1.一种轻质隔热高强度莫来石材料，其特征在于，所述莫来石材料以多孔莫来石晶须框架为基体，在基体外表面覆盖结合有一层致密莫来石涂层。
2.根据权利要求1所述的轻质隔热高强度莫来石材料，其特征在于，致密莫来石涂层的厚度为5～50μm。
3.权利要求1或2所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备多孔莫来石晶须框架；制备致密莫来石前驱体浆料；
步骤2，将致密莫来石前驱体浆料均匀地喷涂在多孔莫来石晶须框架外表面，干燥后得到多孔莫来石生坯；
步骤3，多孔莫来石生坯经空气气氛下高温烧结，在多孔莫来石晶须框架外表面形成致密莫来石涂层，得到轻质隔热高强度的莫来石材料。
4.根据权利要求3所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，制备多孔莫来石晶须框架具体为：利用球磨混料将纳米三氧化二铝粉、氟化铝粉制成分散均匀的浆料a；将teos、水和乙醇混合制成溶胶；将溶胶与浆料a混合，得到浆料b，在氨水的催化作用下，使得浆料b发生凝胶效应，将得到的凝胶干燥后，得到莫来石晶须原料粉，然后干压成型制得生坯，在密闭坩埚内高温烧结后，得到多孔莫来石晶须框架；其中，al与si的摩尔比为3:1。
5.根据权利要求4所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，生坯在密闭环境内烧结的温度为1300～1650℃，保温时间为1～5h。
6.根据权利要求3所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，制备致密莫来石前驱体浆料具体工艺是：将纳米al2o3粉、纳米sio2粉和pva粘结剂通过球磨混合均匀，其中al与si之间的摩尔比为3:1。
7.根据权利要求6所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，莫来石前驱体浆料的固含量为20％～50％。
8.根据权利要求6所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，莫来石前驱体浆料中粘结剂含量为1～5wt％。
9.根据权利要求3所述的轻质隔热高强度莫来石材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，煅烧采用的煅烧制度为：1500～1650℃保温1～5小时。
技术总结