一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法

1.本发明涉及一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，属于热防护材料技术领域。

背景技术：

2.航天飞机的陶瓷纤维热防护系统是由许多块不同形状的构件（如隔热瓦、隔热毡）组合而成，此种陶瓷纤维刚性隔热瓦一般采用氧化物纤维（如莫来石纤维、氧化铝纤维等）和高温粘结剂（硅溶胶）通过混合、注模、干燥、煅烧等过程制得。在之前的研究中，大多选用真空抽滤法和模压法作为制备方法来生产纤维基多孔陶瓷。但采用这两种方法制备出的纤维多孔陶瓷，其内部和表面的结构与性能会产生巨大差异，形成内部和表面的不均匀结构（异质结构）。陶瓷表面会形成一层坚硬的外壳并含有高含量的高温粘结剂，具有较高的密度和强度；而陶瓷内部结构却十分疏松，基本没有粘结剂的存在，在具有较低密度的同时，也有较低的强度。
3.虽然采用传统模压法和真空抽滤法制备的多孔陶瓷在一定程度上满足了实际使用过程中对密度和强度的要求，然而一旦此种材料需要从原有尺寸切削到特定尺寸，或者材料表面在使用过程中发生了损坏或剥落，导致内部疏松结构暴露在外，隔热瓦的性能将会发生巨大的下降，并不适用于实际需求。因而，设计一种内外结构均一、性能一致的陶瓷纤维基多孔陶瓷是十分必要的，一方面能够满足目前工程上对于隔热瓦的性能需求，另一方面，对保护航天器热防护系统的安全性能也具有重大意义。

技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，制备出结构均一且性能良好的莫来石纤维基多孔陶瓷。
5.为解决所述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次以上，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
6.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
7.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数5wt%—27.5wt%的硅溶胶，硅溶胶质量分数优选5wt%，12.5wt%，20wt%或27.5wt%，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每
次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为5wt%—20wt%，优选5wt%，10wt%，15wt%或20wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
8.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然后将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
9.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
10.本发明基于现有技术结构缺陷，针对硅溶胶的迁移机制，同时利用淀粉的糊化作用和烧蚀特性，采用淀粉原位固化法制备莫来石纤维基多孔陶瓷，通过改变硅溶胶含量、淀粉含量和烧结温度，得到具有不同三维搭接结构的莫来石纤维基多孔陶瓷，并利用性能分析优化试验配方，制备出结构均一且性能良好的莫来石纤维基多孔陶瓷。对提高此类材料的整体性能和显微结构具有潜在的意义和价值。未处理的原料莫来石纤维中的渣球是购买的莫来石纤维中自带的，工业上在制备纤维时都会出现渣球。
11.应用本发明的方法制备的多孔陶瓷的密度为0.34g/cm
3-0.60g/cm3，气孔率为84.8%-74.2%，热导率为0.0683w/(m
·
k)-0.2546w/(m
·
k)，抗压强度为1.35mpa-0.33mpa，是结构均一且性能良好的莫来石纤维基多孔陶瓷材料。
具体实施方式
12.下面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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.实施例1一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
14.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
15.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数12.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为5wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
16.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
17.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
18.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.51g/cm3，气孔率为74.2%，热导率为0.0877w/(m
·
k)和抗压强度为1.35mpa。
19.实施例2一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复4次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
20.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
21.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数12.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为10wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
22.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
23.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
24.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.49g/cm3，气孔率为76.3%，热导率为0.0742w/(m
·
k)和抗压强度为1.21mpa。
25.实施例3一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复4次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
26.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进
行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
27.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数12.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为15wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
28.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
29.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
30.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.45g/cm3，气孔率为80.2%，热导率为0.0713w/(m
·
k)和抗压强度为1.15mpa。
31.实施例4一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
32.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
33.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数12.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为20wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
34.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
35.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
36.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.41g/cm3，气孔率为80.5%，热导率为0.0683w/(m
·
k)和抗压强度为0.55mpa。
37.实施例5
一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
38.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
39.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为10wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
40.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
41.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
42.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.34g/cm3，气孔率为84.8%，热导率为0.0810w/(m
·
k)和抗压强度为0.33mpa。
43.实施例6一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
44.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
45.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数20wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为10wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
46.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结
箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
47.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
48.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.49g/cm3，气孔率为78.2%，热导率为0.192w/(m
·
k)和抗压强度为1.1mpa。
49.实施例7一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料。
50.（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥。
51.（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数27.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入，防止加入纤维过多而导致纤维分散不均的情况发生；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为10wt%，继续混合，直至浆料混合均匀。
52.（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80oc的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然将模具转移至300oc～500oc的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂。
53.（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，使坯体中的有机物完全排出，并使硅溶胶作为高温粘结剂发挥粘结基体的作用。烧结制度为：2oc/min升到700oc，之后以5oc/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。
54.本实施例中，制备的均质莫来石纤维基多孔陶瓷的密度为0.60g/cm3，气孔率为74.4%，热导率为0.2546w/(m
·
k)和抗压强度为1.14mpa。

技术特征：

1.一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：采用工艺步骤如下：（1）纤维除杂：将未处理的4g原料莫来石纤维与500g水进行混合，搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降；待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；然后将得到的纤维浆料再次进行搅拌1min，使纤维均匀分散于水中，之后停止搅拌，等待渣球和纤维沉降，待渣球沉降后，将上面的纤维浆料倒出，将渣球物质倒掉；此过程重复3次以上，直至渣球完全除掉，除杂后得到纤维浆料；（2）莫来石纤维的短切处理：将除杂后的莫来石纤维干燥后和水以1:1的体积比进行混合，倒入到剪切机当中，高速档先剪切20s，剪短纤维，再暂停10s，使剪切机内的纤维均匀落下，之后再重复此过程2次，得到长度为300～500μm的莫来石纤维浆料，进行干燥；（3）将质量分数30wt%硅溶胶加入去离子水中，配成质量分数5wt%—27.5wt%的硅溶胶，用磁力搅拌机搅拌15min，待混合均匀后，将预处理后的4g莫来石纤维短纤维加入到制备的硅溶胶溶液中，分5次加入，每次均需搅拌均匀后再次加入；混合均匀后再加入一定量淀粉，淀粉占体系质量分数为5wt%—20wt%，继续混合，直至浆料混合均匀；（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，并转入80
o
c的鼓风干燥箱中干燥2小时，保证淀粉在此过程中能够完全糊化；然后将模具转移至300
o
c～500
o
c的烧结箱中，将淀粉烧失，以此作为成孔剂；（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶，烧结制度为：2
o
c/min升到700
o
c，之后以5
o
c/min升高到最终的烧结温度1400摄氏度，并在最终烧结温度保温2小时。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述硅溶胶质量分数为5wt%，12.5wt%，20wt%或27.5wt%。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述淀粉占体系质量分数为5wt%，10wt%，15wt%或20wt%。

技术总结

本发明提供了一种均质莫来石纤维基多孔陶瓷的制备方法，属于热防护材料技术领域，其工艺步骤如下：（1）莫来石纤维除杂；（2）莫来石纤维的短切处理；（3）制备莫来石纤维浆料；（4）将上述制备好的混合浆料采用重力沉降法进行成型，然后烧结；（5）将干燥好的坯体放入高温炉中进行煅烧和排胶。应用本发明的方法制备的多孔陶瓷的的密度为0.34g/cm