一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法及其所得材料与流程

1.本发明属于陶瓷材料技术领域，具体地说，涉及一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法及其所得材料。


背景技术：

2.泡沫陶瓷是一种经特殊工艺制作而成的具有三维立体网络骨架结构和贯通气孔的新型多孔陶瓷材料，比较成熟的泡沫陶瓷制备工艺有发泡工艺、添加造孔剂工艺及有机泡沫浸渍法等，鉴于泡沫陶瓷所具有的高化学稳定性、高强度、耐高温、抗热震、低密度、高气孔率、大比表面积等诸多优点，因此其广泛应用于制备汽车尾气装置、节能隔热材料、工业污水处理、化学催化剂载体、生物材料等领域。
3.其中钛酸钡具有优异的机械强度、高介电常数、低介电损耗，是制备高介电、铁电、压电等材料的理想材料，人们将钛酸钡与不同聚合物复合，制得了多种高介电常数钛酸钡泡沫陶瓷，然而，大量研究发现，钛酸钡泡沫陶瓷与聚合物复合后，介电常数显著降低，导电性能明显下降，同时使得陶瓷材料的抗压强度降低，难以制得高质量的陶瓷材料。


技术实现要素：

4.针对现有钛酸钡泡沫陶瓷导电性能不足，抗压强度不够的问题，本发明提供一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法及其所得材料。
5.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
6.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，并将其混合研磨，研磨后过滤处理得到混合原料；
8.步骤2、按质量计，将步骤1得到的混合原料与聚乙烯醇水溶液研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
9.步骤3、将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，进行放置挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，进行干燥处理，重复多次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400～500℃的温度下保温1.5～2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
10.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
11.优选地，所述步骤1中各原辅料的质量百分比为：钛酸钡40～65％；氮化铝20～30％；二氧化锆10～30％；氧化镓3～5％；氮化硼5～10％；泡沫镍1～3％；碳酸钙2～3％。
12.为了使研磨充分，优选地，所述步骤1中混合研磨是将各原辅料加入研磨机中研磨10～15分钟，在75～90℃下混合均匀。
13.为了使混合原料之间可以更加紧密结合，优选地，所述步骤2中混合原料、聚乙烯
醇水溶液、羟己基纤维素水溶液和聚乙烯亚胺水溶液的质量比为20∶8～20∶1～10∶3～12，其中聚乙烯醇水溶液浓度为1～10wt％，羟己基纤维素水溶液浓度为1～5wt％，聚乙烯亚胺水溶液浓度为2～5wt％。
14.为了让提高聚苯乙烯纯度，去除杂质，优选地，所述步骤3中聚苯乙烯的预处理流程如下：将规格为15～30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为10～20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至60～80℃并保温3～5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为2～5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留3～5h后，取出甩干，在温度50～75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯。
15.为了让多余的浆料可以更加快速的脱离，优选地，所述步骤3中放置挂浆处理在10～25℃的环境下放置3～12min。
16.为了让浆料可以快速干燥，优选地，所述步骤3中干燥处理是在温度为40～70℃环境下干燥。
17.为了让提供的浆料与需要的数值准确匹配，优选地，所述步骤3中重复多次挂浆、干燥处理过程是重复挂浆、干燥共3～10次。
18.为了防止急速加热导致材料开裂，优选地，所述步骤4中加热炉内的加热采用分步加热方式，先以5～10℃/min的速率从室温升到500～700℃，保温10～15min，然后以5～10℃/min的升温速率升到800～1000℃，保温20～25min；再以2～5℃/min的升温速率升到烧成温度1100～1500℃，保温20～45min。
19.如上所述的制备方法制备的改性钛酸钡泡沫陶瓷材料。
20.与现有技术相比，本发明提供了一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法及其所得材料，本发明具备以下有益效果：
21.该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明通过调整钛酸钡泡沫陶瓷材料的配方，添加新的原辅料，在配方中调节各原辅料的质量百分比，使得配方中所使用的原辅料具备极高的协同性，同时根据调整的配方改变其制作方法，其中聚乙烯醇水溶液增加各成分之间的粘合性，羟己基纤维素水溶液防止浆料沉淀，增加浆料的粘稠性，聚乙烯亚胺水溶液防止浆料沉淀出现颗粒凝结，使用分步加热方式进行逐步稳定的加热，可以提高泡沫陶瓷材料的质量，钛酸钡结合氮化铝和泡沫镍增加泡沫陶瓷材料的导电性，氧化镓和氮化硼增加泡沫陶瓷材料的热稳定性、耐腐蚀性、硬度和抗压强度，二氧化锆与钛酸钡结合增加泡沫陶瓷材料烧结活性，减少材料颗粒之间的气孔，使得这种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料拥有着良好的导电性和抗压强度，工艺简单、适用性广。
附图说明
22.图1为本发明提出的一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法及其所得材料的流程示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.实施例1：
25.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
26.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡40％、氮化铝30％、二氧化锆19％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙2％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
27.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
28.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
29.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
30.实施例2：
31.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
32.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡40％、氮化铝29％、二氧化锆20％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙2％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
33.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
34.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
35.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
36.实施例3：
37.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
38.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡45％、氮化铝25％、二氧化锆19％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙2％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
39.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
40.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
41.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
42.实施例4：
43.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
44.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡50％、氮化铝23％、二氧化锆16％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙2％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
45.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
46.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
47.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷
却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
48.实施例5：
49.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
50.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡55％、氮化铝23％、二氧化锆11％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙2％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
51.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
52.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
53.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
54.实施例6：
55.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
56.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡58％、氮化铝20％、二氧化锆10％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙3％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
57.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
58.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
59.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温
25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
60.实施例7：
61.一种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法：
62.步骤1、按质量百分比称取各原辅料，其中钛酸钡56％、氮化铝20％、二氧化锆12％、氧化镓3％、氮化硼5％、泡沫镍1％、碳酸钙3％，将各原辅料加入研磨机中研磨15分钟，在90℃下混合均匀，研磨后过滤处理得到混合原料；
63.步骤2、按质量计，将100份混合原料与100份浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液进行研磨搅拌，搅拌完成后，往浆料里加入20份浓度为5wt％的羟己基纤维素水溶液，再次进行搅拌研磨，搅拌完成后最后往浆料里添加60份浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液，最终得到混合浆料；
64.步骤3、将规格为30ppi的聚苯乙烯浸泡在浓度为20wt％的氢氧化钠水溶液中，升温至80℃并保温5h后，取出聚苯乙烯，用去离子水洗涤、甩干，在常温下，将聚苯乙烯浸渍在浓度为5wt％的聚乙烯亚胺水溶液中，停留5h后，取出甩干，在温度75℃的条件下干燥，得到预处理的聚苯乙烯，将预处理的聚苯乙烯浸渍在步骤2得到的混合浆料中，在25℃的环境下放置12min，进行挂浆处理，挤压排除多余的浆料后，在温度为70℃环境下进行干燥处理，重复10次挂浆、干燥处理过程，将挂浆干燥后的浆料倒入马弗炉中，在400℃的温度下保温2h，进行有机物排除，最后装入发泡耐火材料模具；
65.步骤4、将发泡耐火材料模具送入加热炉内加热，加热采用分步加热方式，先以10℃/min的速率从室温升到700℃，保温15min，然后以10℃/min的升温速率升到1000℃，保温25min；再以5℃/min的升温速率升到烧成温度1500℃，保温45min，加热完成后进行退火、冷却、脱模、切割处理，最终得到泡沫陶瓷材料。
66.实施例8：
67.如实施例1-7所述的制备方法制备的改性钛酸钡泡沫陶瓷材料，为测试改性钛酸钡泡沫陶瓷材料的制备方法制成的材料的特性，对实施例1-7制成的改性钛酸钡泡沫陶瓷材料进行多次测试，测试结果如下：
[0068] 介电常数介电损耗抗压强度电阻率实施例12230.9930.26mpa1.875实施例22141.0240.28mpa1.897实施例32061.0860.31mpa1.932实施例41981.1280.32mpa1.965实施例51851.1760.36mpa2.024实施例61791.2340.38mpa2.061实施例71741.2590.41mpa2.115
[0069]
测试结果说明这种改性钛酸钡泡沫陶瓷材料同时有着良好的导电性和抗压强度，属于合格的泡沫陶瓷材料，能够满足市场生产要求。
[0070]
本发明应用于陶瓷材料技术领域，通过调整酸钡泡沫陶瓷材料的配方，在配方中调节各原辅料的质量百分比，将原辅料按照添加顺序进行研磨搅拌，再进行挂浆干燥，最后使用分步加热方式进行逐步加热，可以提高泡沫陶瓷材料的质量，这种改性钛酸钡泡沫陶
瓷材料有着良好的导电性和抗压强度，适用性广泛。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。