專利名稱：陶瓷基高強輕質浮力材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型陶瓷基高強輕質浮力材料的制備方法。
背景技術：
目前，在深海的礦產資源調查、地質地球物理、生物活動以及對全球氣候變化等重大研究領域，迫切需要對特定海區范圍內以至全球化的水下長時空尺度變化的綜合觀測資料。這就需要進行高功能的深海調查儀器設備的技術支撐，否則難以取得創新性研究成果及對深海尚未涉足領域的研究探索。本研究將面向國家戰略需求，面向世界科技前沿，在深海環境探測領域所需高強度、低密度浮力材料制備技術上開展創新性研究，突破一系列關鍵技術問題，為深海領域科技發展提供基礎支持。
浮力材料是深潛探測器不可缺少的關鍵材料。美國最早采用的是汽油，隨后直到現在，國際上使用的深海探測器普遍采用被稱為復合泡沫塑料的浮力材料，它是用環氧樹脂將中空玻璃微珠固化而得到的。目前日本11000米級深海無人調查船“海溝號”使用的浮力材料密度為0.63、抗壓強度高達127.5MPa(1300kgf/cm2)。據報道，我國現在使用的深海浮力材料均依靠進口。二十世紀八十年代起開始浮力材料的研究，曾經有過使用輕質復合空心球的研究報道，但使用深度只有600米。“十五”863計劃重大專項——“7000米載人潛水器”中曾專門立項研究該類問題，但一直沒有徹底解決所存在的重大問題，尚沒有成功報道。
隨著航行深度的加大和有人深潛探測器的開發，浮力材料越來越向著高強度、低密度的方向發展。然而現有復合泡沫塑料浮力材料幾乎已經達到了極限，為了增加抗壓強度不得不加大材料的密度，這樣就大大降低了浮力材料的浮力系數。
陶瓷是既可以增加抗壓強度又可以降低材料密度的較為理想的材料。上世紀八十年代，曾經有過使用陶瓷球作浮力材料的實驗，但是由于陶瓷球在成型、燒結過程中無法精確控制球的均勻性，因而在高壓下容易發生爆裂，并造成全體陶瓷球的破壞。多孔陶瓷材料由于其高閉氣孔率，可以在輕質的前提下，通過內部的三維網絡結構作為支撐實現高抗壓強度。
本發明的目的在于采用陶瓷廠拋光廢泥為主要原料，燒結制備微觀結構均一、低密度高強度的多孔陶瓷體，以陶瓷作為基體制備新型浮力材料，制作滿足深海2000m以下使用的浮力材料，作為深海探測的配套材料。
發明內容
本發明針對現有傳統浮力材料存在的不足，提供一種新型陶瓷基浮力材料的制備方法。該方法制備浮力材料微觀結構比較均勻，密度小，強度高，高強度的基體有利于滿足深海探測抗壓性能的要求，環氧樹脂的復合有利于進一步降低多孔陶瓷表層滲水，二者復合可制備出輕質高強的新型浮力材料。
本發明的新型陶瓷基輕質高強浮力材料制備方法，步驟如下(1)將陶瓷廠拋光廢泥中加入5％～15％的生產廢泥進行配料干燥造粒，造粒后過40目篩，干壓成型；(2)然后將成型后的坯體進行干燥，90℃下干燥2小時；(3)所得干燥后的坯體在1100～1200℃燒結1～3小時，得到多孔陶瓷體，對多孔陶瓷體進行表面磨削，去除表層玻璃釉質；(4)對上述多孔陶瓷基體進行表面改性，將KH-570硅烷偶聯劑按照質量比1∶1配成溶液，均勻涂覆在多孔陶瓷體表面，使其充分包覆，放入烘箱內80℃下烘3h后取出，置于密閉容器內；(5)與環氧樹脂復合，將環氧樹脂、稀釋劑、固化劑配制成預混液，壓涂于表面改性后的多孔陶瓷體表面，涂層厚度為2～8mm，固化后制得浮力材料。
優選的，上述步驟(1)所述的干壓成型造粒后粉料中水分含量為6％～8％，干壓成型壓力17MPa。
優選的，上述步驟(1)所述的成型方法為注塑成型，則粉料配制泥漿中水分含量為35％～40％。
優選的，上述步驟(1)所述的5％～15％的生產廢泥未加入拋光廢泥中，則在步驟(3)中的燒結溫度要降低40～60℃。
優選的，上述步驟(4)所述的硅烷偶聯劑在1∶1水溶液稀釋后對多孔陶瓷體改性過程中總用量質量分數在1～3％。
優選的，上述步驟(5)固化劑為MPD(間苯二胺)，則按照環氧樹脂∶稀釋劑∶固化劑＝65～91％∶0～21％∶7～20％的比例配制環氧樹脂預混液。
優選的，上述步驟(5)固化劑為DDS(二氨基二苯砜)，則按照環氧樹脂∶稀釋劑∶固化劑＝60～83％∶0～20％∶14～27％的比例配制環氧樹脂預混液。
上述新型陶瓷基高強輕質浮力材料制備出來，且該工藝成型制備的坯體強度很高，能夠滿足后續工藝中對坯體強度的要求，燒結后的多孔陶瓷基體強度高，可進行后續的機械加工，能夠滿足不同形狀浮力材料的制備。
本發明采用陶瓷廠拋光廢泥為主要原料制備多孔陶瓷基體，與環氧樹脂進行表層復合，進一步防止表層多孔體的滲水制備出新型浮力材料與傳統玻璃微珠與環氧樹脂復合制備的浮力材料相比，其優良效果如下1、相對空心玻璃微珠，本發明的原料廉價，解決了固體廢棄物消化處理的難題，在同等堆積密度的前提下，其抗壓強度遠遠大于空心玻璃微珠；2、相對樹脂基浮力材料，本發明制備的多孔陶瓷基體內部氣孔分布均勻，有利于提高材料的整體強度，且耐候性、耐海水腐蝕性強；3、相對于復合泡沫塑料浮力材料，本發明制備的浮力材料挖掘潛力大，通過燒結溫度的控制和生產廢泥加入量的調節，可有效地制備適合于不同水深的浮力材料；4、本發明制備的新型浮力材料具有耐久耐候性能，其內部石英、莫來石晶相具有高化學穩定性，能耐化學侵蝕、不老化、能抗大氣碳化等優良性質；5、本發明制備新型浮力材料體積吸水率比較小，孔隙結構由相互密閉的氣泡所組成，閉孔率可達95％以上，強度高，可進行機加工；6、本發明特別適于工業化生產，推進固體浮力材料在深海探測中的應用。
圖1是陶瓷廠拋光廢泥XRD，其中，曲線1為陶瓷廠廢泥XRD；曲線2為1150℃下燒結后多孔陶瓷XRD；曲線3為1200℃下燒結后的多孔陶瓷XRD。
圖2是拋光廢泥燒結溫度曲線。
具體實施例方式
實施例1將35g拋光廢泥粉料造粒后于17MPa單行程壓力下干壓成型坯體、將75g拋光廢泥造粒后于17MPa、14.5MPa二行程壓力下干壓成型坯體，燒結制備多孔陶瓷基體，其燒結溫度曲線如附圖2所示，其密度為0.35g/cm3，抗壓強度為7.3MPa；對燒結后的多孔陶瓷進行環氧樹脂改性后浮力材料密度為0.52g/cm3，抗壓強度為21MPa。
權利要求
1.新型陶瓷基輕質高強浮力材料的制備方法，其特征在于以陶瓷生產廠拋光廢泥為主要原料，高溫發泡工藝制備，步驟如下(1)將陶瓷廠拋光廢泥中加入5％～15％的生產廢泥進行配料干燥造粒，造粒后過40目篩，干壓成型；(2)然后將成型后的坯體進行干燥，90℃下干燥2小時；(3)所得干燥后的坯體在1100～1200℃燒結1～3小時，得到多孔陶瓷體，對多孔陶瓷體進行表面磨削，去除表層玻璃釉質；(4)對上述多孔陶瓷基體進行表面改性，將KH-570硅烷偶聯劑按照質量比1∶1配成溶液，均勻涂覆在多孔陶瓷體表面，使其充分包覆，放入烘箱內80℃下烘3h后取出，置于密閉容器內；(5)與環氧樹脂復合，將環氧樹脂、稀釋劑、固化劑配制成預混液，壓涂于表面改性后的多孔陶瓷體表面，涂層厚度為2～8mm，固化后制得浮力材料。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的干壓成型造粒后粉料中水分含量為6％～8％，干壓成型壓力17MPa。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的成型方法為注塑成型，則粉料配制泥漿中水分含量為35％～40％。
4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述的5％～15％的生產廢泥未加入拋光廢泥中，則在步驟(3)中的燒結溫度要降低40～60℃。
5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的硅烷偶聯劑在1∶1水溶液稀釋后對多孔陶瓷體改性過程中總用量質量分數在1～3％。
6.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)固化劑為MPD(間苯二胺)，則按照環氧樹脂∶稀釋劑∶固化劑＝65～91％∶0～21％∶7～20％的比例配制環氧樹脂預混液。
7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)固化劑為DDS(二氨基二苯砜)，則按照環氧樹脂∶稀釋劑∶固化劑＝60～83％∶0～20％∶14～27％的比例配制環氧樹脂預混液。
全文摘要
本發明公開了一種新型陶瓷基輕質高強浮力材料的制備方法。以陶瓷廠拋光廢泥為主要原料，采用干壓、注塑成型，常壓燒結，高溫化學發泡法工藝制備高閉氣孔含量的多孔陶瓷材料作為新型浮力材料的基體，以環氧樹脂作為加強外壁制備新型浮力材料。該浮力材料與現有浮力材料相比，具有耐久耐候性能好，耐海水腐蝕，不老化，體積吸水率小，機械強度高，制備工藝簡單，生產成本低，易于工業化生產。原位高溫發泡，使多孔陶瓷體內氣孔均勻分布，閉氣孔率在95％以上。該新型浮力材料密度較低、抗壓強度較高，在1180℃下燒結制備的多孔陶瓷材料其密度為0.35g/cm
文檔編號C04B41/91GK101054304SQ20071001564
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月29日 優先權日2007年5月29日
發明者尹衍升, 張衛珂, 張敏 申請人:中國海洋大學