NiAl-TiB2-TiC-Al2O3多孔膜及等离子加热反应合成方法技术

本发明专利技术公开了一种NiAl-TiB2-TiC-Al2O3多孔膜以及利用等离子加热反应合成该多孔膜的方法，它是以等离子束为热源，以Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C粉和B2O3粉为原料，以氩气为等离子发生气体并兼作保护气体，在等离子束流的加热及氩气的保护作用下，粉末原料发生反应，获得多孔膜复合材料。这种复合多孔材料综合了Ni-Al系金属间化合物材料和TiB2、TiC、Al2O3陶瓷材料的性能优势，扩大这些材料在催化、过滤、分离等方面的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔材料及其制备工艺，尤其一种NiAl-TiB2-TiC-Al2O3复合的多孔膜材料及其制备方法，属于材料合成与加工领域。
技术介绍
随着全球范围内汽车尾气净化法规日益严苛，对尾气净化技术要求越来越高。现有的汽车尾气净化催化剂载体材料无论是单纯的耐热合金，还是堇青石、SiC陶瓷材料，都难以满足载体的耐高温、耐磨性，且现有载体为整体式宏观结构，微观孔型结构主要是细孔的蜂窝状或壁流式，两者都存在突出问题，如浸渍催化剂时孔眼堵塞、透气性差、比表面积小等，使得尾气催化转化远达不到理想效果。因此，迫切需要研究新的催化剂载体材料，设计新的孔型结构，开发有关的合成制备技术。陶瓷TiB2、TiC、Al2O3耐高温、耐磨、化学稳定性优良，与单相陶瓷材料相比，含有 TiB2, TiC、Al2O3的复相陶瓷材料性能提高很大。但是因为TiB2、TiC、Al2O3熔点高，加压烧结制备高度致密化的TB2-TiC-Al2O3难度都很大。鉴于TB2-TiC-Al2O3良好的高温性能，可利用、发挥其易存在孔洞这一特点，做成多孔材料，有望成为一种很有前景的高温过滤材料和汽车尾气净化器载体材料。比如中国专利CN101555137(申请号200910027763. 4)公开了一种以TiH2、Si、石墨和B4C为原料，通过气氛保护烧结制备的(TiB2+TiC)/Ti3SiC2复相陶瓷材料及其制备方法。中国专利CN101941843A(申请号201010253986. 5)公开了一种以 TiB2-TiC^ffC和Ni为原料，通过球磨和高温烧结制备TW2-TiC-WC超硬材料及其制备方法。 中国专利CN101161374(申请号200710056355. 2)公开了一种以Cr,Ti和B4C为原料，通过浇铸高温金属钢液诱发压坯的燃烧合成反应，原位形成TB2和TiC复相混杂陶瓷颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。Ni-Al系金属间化合物高温比强度、比刚度高，热稳定性好，导热、导电性优良，成本比Ti-Al系低廉。比如中国专利CN200410046492. 4提出了以Ni、Al元素粉末为原料，采用能耗低、工艺简单的自蔓延高温合成技术，获得MAl金属间化合物多孔材料用于催化剂载体。然而，对于催化剂载体而言，现有M-Al系金属间化合物多孔材料整体式宏观结构及规则的微观孔型结构不利于制备催化剂涂层，且合成过程可控性差。以上专利技术专利存在下列缺点(1)无论是纯粹的NiAl金属间化合物多孔材料还是 TiB2-TiC-Al2O3复相陶瓷材料，很难满足汽车尾气净化器载体的耐高温性、导热性以及抗热振性等综合性能要求；( 多孔材料的结构为整体式的，很难做成强度高的薄片式多孔膜结构，无法满足浸渍催化剂对催化剂载体的要求；(3)高能量的等离子束做热源，难以获得与基体分离的多孔薄膜。专利技术人在长期研究过程中发现，若能将催化剂载体做成多孔的薄片状结构，如 3 5mm多孔膜，不仅有利于制备催化剂涂层，而且多层薄片叠放的结构，可延长尾气通过路程，达到更高的催化转化效果。若将Ni-Al系金属间化合物与TB2-TiC-Al2O3复合，进一步提高TW2-TiC-Al2O3的导热性及高温强度，将是更加理想的催化剂载体材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种NiAl-TiB2-TiC-Al2O3多孔膜，这种复合多孔材料综合了 Ni-Al系金属间化合物材料和TiB2、TiC、Al203陶瓷材料的性能优势，扩大这些材料在催化、 过滤、分离等方面的应用。本专利技术同时提供一种利用等离子加热反应合成这种多孔膜的方法为达到上述目的，本专利技术的多孔膜是以等离子束为热源，以Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C 粉和氏03粉为原料，以氩气为等离子发生气体并兼作保护气体，在等离子束流的加热及氩气的保护作用下，粉末原料发生反应Ni+3Al+4Ti+B4C+B203 = NiAl+3TiB2+TiC+Al203 (1)，生成物为NiAl、TiC、Ti&、Al203四相，即获得NiAl-Ti&-TiC-Al203多孔膜复合材料；这种复合材料内部具有多孔结构，孔隙率为31. 7% 35. 6%、厚度3 5mm、孔径25 48 μ m，孔洞骨架壁面上有尺寸1 2μπι的不连通微小开孔，增加了多孔材料的比表面积和壁面粗糙度，有利于催化剂覆着；等离子束扫描轨迹间搭接区形成宽度1 2mm的条带，相当于“加强筋”，无裂纹、完整，这种多孔膜可广泛用于催化剂载体及化工、环保、能源等领域中的过滤、分离等。本专利技术的NiAl-TW2-TiC-Al2O3多孔膜是由以下方法制备的第一步粉末准备取市售钛(Ti)粉、碳化硼(B4C)粉、三氧化二硼(B2O3)粉、镍(Ni)粉和铝(Al)粉， 要求碳化硼(B4C)、三氧化二硼(B2O3)和镍(Ni)粉粒度为200目，钛(Ti)粉和铝(Al)粉粒度为100目；第二步反应物料配置和混合将上述Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C和化03粉按照反应式⑴配比，即摩尔比 Ni Al Ti B4C B2O3 = 1:3:4:1: 1，采用三维混合机干法混合，得到均勻混合的粉末；上述混合时间一般控制在6- ；第三步制坯将混合均勻的粉末装入钢制模具中冷压成圆形压坯。上述圆形压坯尺寸一般为Φ 50 X 50 X (3-5) mm，制坯压力为70 80MPa。第四步等离子束准备开启等离子束电源，等离子工作台兼作阳极基座，基座材料为紫铜，内部通冷却循环水，调整冷却水的压力、等离子束的气量以及等离子束阴极喷嘴出口与阳基基座表面的距离，以便在等离子束加热区周围形成氩气保护层，与空气隔离，防止空气中的气体进入等离子加热反应区，使等离子束斑直径达到8 10mm。上述冷却水压力一般不低于0. 6Mpa，等离子束阴极喷嘴出口与阳基基座表面的距离一般为5mm，气量一般为0. 4 0. 6m3/h。第五步等离子束扫描加热反应合成将压坯置于等离子工作台的紫铜阳极基座上，调整电流电压；然后移动等离子束对坯体扫描加热，调整扫描速度，在等离子加热作用下，位于阳极基座上的压坯内发生化学5反应，生成NiAl-TiB2-TiC-Al2O3复合材料，同时在复合材料内形成形态是通孔的孔洞，孔径 25 48 μ m,孔洞骨架壁面上有不联通的微小开孔，尺寸1 2 μ m ；随着逐步扫描加热，整个坯体完成反应，形成多孔薄膜，孔隙率31. 7% 35. 6%，在多孔膜中形成宽度1 2mm的条带。上述等离子束扫描速度一般为5 lOmm/s，邻近的两道扫描轨迹间搭接率10 20% ；上述等离子电源的电流一般调至50 60A、电压50V ；第六步冷却取样反应一旦结束，立即提高基座冷却水压力，将基座热量迅速带走。由于多孔膜与基座冷却收缩不一致，而使多孔膜从阳极基座上迅速剥离下来，多孔膜中的孔洞起到应力缓解作用，剥离时不出现裂纹、断裂，保证多孔膜的完整性。上述基座冷却水压力一般调至IMPa以上。本专利技术通过调整制坯工艺参数、等离子束的加热工艺参数，可制备不同孔隙率、孔径的多孔NiAl-TW2-TiC-Al2O3复合材料薄膜。采用上述的技术方案，本专利技术具有以下优点(1)工艺简单，成本低廉，无需额外添加造孔剂、增强剂，以Ni、Al、Ti、B4本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＮｉＡｌ－ＴｉＢ２－ＴｉＣ－Ａｌ２Ｏ３多孔膜，其特征在于，它是以等离子束为热源，以Ｎｉ粉、Ａｌ粉、Ｔｉ粉、Ｂ４Ｃ粉和Ｂ２Ｏ３粉为原料，以氩气为等离子发生气体并兼作保护气体，在等离子束流的加热及氩气的保护作用下，粉末原料发生反应，获得ＮｉＡｌ－ＴｉＢ２－ＴｉＣ－Ａｌ２Ｏ３多孔膜复合材料；这种多孔膜的孔隙率为３１．７％－３５．６％、厚度３－５ｍｍ、孔径２５－４８μｍ，孔洞骨架壁面上有１－２μｍ的不连通微小开孔，等离子束扫描轨迹间搭接区形成宽度１－２ｍｍ的条带，反应式为：Ｎｉ＋３Ａｌ＋４Ｔｉ＋Ｂ４Ｃ＋Ｂ２Ｏ３＝ＮｉＡｌ＋３ＴｉＢ２＋ＴｉＣ＋Ａｌ２Ｏ３。

【技术特征摘要】
1.一种NiAl-TiB2-TiC-Al2O3多孔膜，其特征在于，它是以等离子束为热源，以Ni粉、Al 粉、Ti粉、B4C粉和化03粉为原料，以氩气为等离子发生气体并兼作保护气体，在等离子束流的加热及氩气的保护作用下，粉末原料发生反应，获得NiAl-TW2-TiC-Al2O3多孔膜复合材料；这种多孔膜的孔隙率为31.7% -35. 6%、厚度3-5mm、孔径25-48 μ m,孔洞骨架壁面上有 1-2 μ m的不连通微小开孔，等离子束扫描轨迹间搭接区形成宽度l_2mm的条带，反应式为Ni+3Al+4Ti+B4C+B203 = NiAl+3TiB2+TiC+Al203°2.一种利用等离子加热反应合成如权利要求1所述的NiAl-Tm2-TiC-Al2O3多孔膜的方法，其特征在于，步骤如下第一步粉末准备取市售钛Ti粉、碳化硼粉、三氧化二硼化03粉、镍Ni粉和铝Al粉，要求碳化硼B4C、 三氧化二硼化03和镍Ni粉粒度为200目，钛Ti粉和铝Al粉粒度为100目； 第二步反应物料配置和混合将上述Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C和化03粉按照反应式(1)配比，即摩尔比 Ni Al Ti B4C B2O3 = 1:3:4:1: 1，采用三维混合机干法混合，得到均勻混合的粉末；第三步制坯将混合均勻的粉末装入钢制模具中冷压成圆形压坯； 第四步等离子束准备开启等离子束电源，等离子工作台兼作阳极基座，基座材料为紫铜，内部通冷却循环水，调整冷却水的压力、等离子束的气量以及等离子束阴极喷嘴出口与阳基基座表面的距离，以便在等离子束加热区周围形成氩气保护层，与空气隔离，防止空气中的气体进入等离子加热反应区，使等离子束斑直径达到8 IOmm ； 第五步等离子束扫描加热反应合成将压坯置于等离子工作台的紫铜阳极基座上，调整电流电压；然后移动等离子束对坯体扫描加热，调整扫描速度，在等离子加热作用下，位于阳极基座上的压坯内发生化学反应，生成NiAl-TW2-TiC-Al2O3复合材料，同时在复合材料内形成形态是通孔的孔洞，孔径 25 48 μ m,孔洞骨架壁面上有不联通的微小开孔，尺寸1 2 μ m ；随着逐步扫描加热，整个坯体完成反应，形成多孔薄膜，孔隙率31. 7% 35. 6%，在多孔膜中形成宽度1 2mm的条带；第六步冷却取样反应一旦结束，立即提高基座冷却水压力，将基座热量迅速带...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪芝，曹丽丽，吴杰，谷征征，王晓东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：95