具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下针对本申请实施例的钛酸铝多孔陶瓷及其制备方法以及多孔介质燃烧器进行具体说明：

第一方面，本申请实施例提供一种钛酸铝多孔陶瓷，其由原料的浆料经热解、烧结成型制得，原料包括：Al₂O₃、TiO₂、稳定剂、粘接剂、分散剂以及用于溶解粘接剂的溶剂；其中，Al₂O₃、TiO₂与稳定剂的重量比为50-70：30-50：1-10；稳定剂选自氧化镁、碳酸镁、二氧化硅、三氧化二铁、氧化铈、氧化镧和氧化钇中的至少一种；

Al₂O₃、TiO₂与稳定剂的总重量为M，粘接剂的重量、分散剂的重量、溶剂的重量与M的比例为18-50：0.1-10：30-50：100。

原料中的溶剂能够将粘接剂溶解，分散剂能够保证Al₂O₃、TiO₂和稳定剂均匀地分散于溶解后的粘接剂中，溶解后的粘接剂能够将Al₂O₃、TiO₂和稳定剂粘接在一起。在烧结成型的过程中Al₂O₃和TiO₂反应生成钛酸铝，氧化镁、碳酸镁、二氧化硅、三氧化二铁、氧化铈、氧化镧和氧化钇这些种类的稳定剂能够将钛酸铝的晶相稳定以减少钛酸铝的分解，使得钛酸铝多孔陶瓷具有较高的抗热震性能。需要说明的是，碳酸镁可由菱镁矿提供，菱镁矿的主要成分为碳酸镁。

示例性地，稳定剂选自氧化镁、三氧化二铁、氧化镧和二氧化硅中的至少两种。该种组合方式的稳定剂合用稳定效果更好。

其中，Al₂O₃、TiO₂、稳定剂、粘接剂、分散剂和溶剂的配比合适，原料混合后的浆料粘稠度合适，有利于挂浆在泡沫塑料的骨架表面。

可选地，Al₂O₃的粒径选用条件为D50＝0.5-5μm，TiO₂的粒径选用条件为D50＝0.1-1μm，稳定剂的粒径选用条件为D50＝0.5-2μm。需要说明的是D50＝0.5-5μm指的是粒径范围为0.5-5μm的比例为50％。

示例性地，氧化铝选自α-氧化铝、β-氧化铝、γ-氧化铝和氢氧化铝中的至少一种。示例性地，二氧化钛包括锐钛矿型、金红石型和无定形二氧化钛中的至少一种。

进一步地，在一种可能的实施方案中，Al₂O₃、TiO₂与稳定剂的重量比为60-62：38-40：1-5；粘接剂的重量、分散剂的重量、溶剂的重量与M的比例为30-35：1-2：40：100。该比例范围的各组分使得制得的钛酸铝多孔陶瓷具有更好的抗热震性能。

示例性地，粘接剂选自酚醛树脂、环氧树脂、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中至少一种。这些种类的粘接剂均能将Al₂O₃、TiO₂和稳定剂较好地粘接在一起。

当粘接剂选自酚醛树脂、环氧树脂、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中至少一种时，溶剂包括乙醇。乙醇能够将这些种类的粘接剂较好地溶解。

可选地，溶剂包括乙醇和丁酮，其中，乙醇用于溶解粘接剂，丁酮与乙醇配合能够起到增溶和分散的效果。示例性地，乙醇和丁酮的体积比为1-4：1，例如为1:1、2:1、3:1或4:1。

可选地，分散剂选自蓖麻油、三油酸甘油酯和吐温20中的至少一种。这些种类的分散剂均具有较好的分散效果。

第二方面，本申请实施例提供一种第一方面实施例的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法，包括：将具有孔隙的泡沫塑料浸入原料的浆料中，并使得泡沫塑料的骨架表面挂浆，挂浆后进行干燥固化，然后经热解后烧结成型。

具有孔隙的泡沫塑料挂浆后进行干燥固化，使得浆料固化在泡沫塑料的骨架表面，经热解后粘接剂固化使得Al₂O₃、TiO₂和稳定剂固结在一起，同时泡沫塑料分解，则泡沫塑料的孔隙对应钛酸铝多孔陶瓷的孔隙，使得制得的钛酸铝泡沫陶瓷的孔隙率较高。可选地，本申请实施例的泡沫塑料为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫塑料或聚乙酸乙烯泡沫塑料。示例性地，聚氨酯泡沫为聚氨酯软泡，聚氨酯软泡具有开孔结构，孔与孔之间高度连通，非常适合气体流通，流动阻力小，采用聚氨酯软泡挂浆，后续制得的钛酸铝泡沫陶瓷使用在多孔介质燃烧器中可以将空气和燃气充分混合均匀，提高燃烧效率。

在烧结成型的过程中Al₂O₃和TiO₂反应生成钛酸铝，氧化镁、碳酸镁、二氧化硅、三氧化二铁、氧化铈、氧化镧和氧化钇这些种类的稳定剂将钛酸铝的晶相稳定以减少钛酸铝的分解，制得的钛酸铝多孔陶瓷具有较高的抗热震性能，其晶相为掺杂稳定的钛酸铝。

另外，在将泡沫塑料浸入原料的浆料中后，可通过将挂浆后的泡沫塑料离心甩去多余浆料，并用压缩空气吹扫均匀，再进行干燥固化，以减少浆料堵住泡沫塑料的孔隙的几率。其中，压缩空气的压力可选地为0.3～0.6MPa。干燥固化的温度为50-150℃，例如为50℃、80℃、100℃、120℃或150℃。

需要说明的是，挂浆、离心、吹扫和烘干固化的步骤可以重复进行，直至泡沫塑料挂浆达到目标体积分数或目标质量分数。其中目标体积分数和目标质量分数的确定方法如下：泡沫塑料的长宽高相乘得到第一体积，第一体积乘以所采用的钛酸铝的密度得到第一重量，挂浆的重量除以所采用的钛酸铝的密度得到第二体积，第二体积除以第一体积为目标体积分数；挂浆的重量除以第一重量为目标质量分数。

在一种可能的实施方案中，热解的温度为800-1000℃，热解过程的保温时间为60-300min。

800～1000℃的热解温度以及60～300min的保温时间能够使得粘接剂充分固化，且泡沫塑料能够全部分解。示例性地，热解温度为800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃中的任一者或者任意两者之间的范围。可选地，热解过程的保温时间为60min、90min、120min、150min、180min、210min、240min和300min中的任一者或者任意两者之间的范围。

可选地，热解过程在惰性气氛或真空环境中进行。相较于在空气或氧气氛围下热解，在惰性气氛或者真空环境下进行热解能够使得粘接剂固化效果更好，使得热解过程后的钛酸铝多孔陶瓷的坯体强度更好，可进行初步加工后再进行烧结。可以理解的是，热解过程也可以是在空气或氧气氛围下进行。

其中，烧结成型的步骤是在空气氛围或者氧气氛围中进行的，热解过程和烧结过程可以在同一个烧结炉中进行，此时，热解也是在空气或氧气氛围下进行。热解过程和烧结过程可以分开在不同的烧结炉中进行，并且热解过程后可以先冷却至室温后再进行烧结，也可以是热解完成后就进行烧结。

示例性地，烧结成型的温度为1500-1600℃，保温时间为120-360min。在1500-1600℃的烧结温度下保温120-360min不仅能够制得钛酸铝多孔陶瓷，而且具有足够的保温时间使得晶粒细化，提高力学性能。

可选地，烧结成型的步骤包括：以0.5-1℃/min的升温速率升温至1000℃，然后以1-10℃/min的升温速率升温至1350℃，再以0.1-0.5℃/min的升温速率升温至烧结成型的温度。

在1000℃以下，Al₂O₃和TiO₂发生反应，以0.5-1℃/min的升温速率较慢地升温能够保证Al₂O₃和TiO₂充分反应生成钛酸铝。示例性地，升温至1000℃的升温速率为0.5℃/min、0.6℃/min、0.8℃/min和1℃/min中的任一者或者任意两者之间的范围。

在1000～1350℃的温度范围内，钛酸铝晶相容易发生分解，以1-10℃/min的升温速率较快地升温，能够改善钛酸铝晶相分解的情况。示例性地，在1000～1350℃的温度范围内的升温速率为1℃/min、3℃/min、5℃/min、7℃/min和10℃/min中的任一者或者任意两者之间的范围。

在1350℃以上的温度范围，以0.1-0.5℃/min的升温速率较慢地升温能够使得晶粒充分细化。示例性地，升温速率为0.1℃/min、0.2℃/min、0.4℃/min和0.5℃/min中的任一者或者任意两者之间的范围。

第三方面，本申请实施例提供一种多孔介质燃烧器，其包括本申请第一方面实施例的钛酸铝多孔陶瓷或者第二方面实施例的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法制得的钛酸铝多孔陶瓷。

本申请实施例的钛酸铝多孔陶瓷孔隙率较高，应用到多孔介质燃烧器中能够增加燃烧效率。

以下结合实施例对本申请的钛酸铝多孔陶瓷及其制备方法以及多孔介质燃烧器作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种钛酸铝多孔陶瓷，其原料包括：煅烧α-Al₂O₃粉(D50＝1μm)2.5kg、锐钛矿型钛白粉(D50＝0.3μm)2.5kg，氧化镁粉(D50＝0.5μm)150g，三氧化二铁(分析纯)11.5g，氧化镧(分析纯)20g、酚醛树脂1kg、10g的吐温20、乙醇1600g以及丁酮400g。

本实施例的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法包括：

将上述原料置于球磨罐中球磨4小时制备浆料，将聚氨酯海绵裁切成300mmx300mmx25mm，将海绵浸渍入浆料中，取出离心，甩去多余浆料，并使用压缩空气将前驱体挂上的浆料吹扫均匀，压缩空气压力为0.3MPa。将挂浆后的聚氨酯海绵置于烘箱中在100℃的条件下干燥固化，重复浸浆、离心、吹扫和干燥固化过程，获得体积分数为20％的钛酸铝泡沫前驱体；将钛酸铝泡沫前驱体置于真空脱脂炉，在850℃的温度条件下热解脱脂15小时，将热解后的钛酸铝泡沫前驱体置于高温电炉中在空气气氛以及1550℃的条件下保温5小时烧结获得钛酸铝多孔陶瓷如图1所示。

实施例2

本实施例提供一种钛酸铝多孔陶瓷，其原料包括：煅烧α-Al₂O₃粉(D50＝2μm)3kg、金红石型钛白粉(D50＝0.5μm)2kg、菱镁矿粉(D50＝2μm)350g，三氧化二铁(分析纯)15g，氧化镧(分析纯)40g、酚醛树脂1.2kg、蓖麻油20g、乙醇1500g以及丁酮500g。

本实施例的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法包括：

将上述原料置于球磨罐中球磨5小时制备浆料，将聚氨酯海绵裁切成140mmx290mmx25mm，将聚氨酯海绵浸渍入浆料中，取出离心，甩去多余浆料，并使用压缩空气将前驱体挂上的浆料吹扫均匀，压缩空气压力为0.6MPa。将挂浆后的聚氨酯海绵置于烘箱中在120℃的条件下干燥固化，重复浸浆、离心、吹扫和干燥固化过程，获得体积分数为30％的钛酸铝泡沫前驱体；将钛酸铝泡沫前驱体置于真空脱脂炉，在900℃的温度条件下热解脱脂18小时，将热解后的钛酸铝泡沫前驱体置于高温电炉中在空气气氛以及1600℃的条件下保温4小时烧结获得钛酸铝多孔陶瓷。

实施例3

本实施例提供一种钛酸铝多孔陶瓷，其原料包括：Al₂O₃粉(D50＝1μm)3.1kg、锐钛矿型钛白粉(D50＝0.3μm)1.9kg、氧化镁粉(D50＝1μm)100g、硅微粉(D50＝1μm)200g、三氧化二铁(分析纯)9g、氧化镧(分析纯)16g、酚醛树脂1.1kg、蓖麻油10g、三油酸甘油酯10g、乙醇1600g以及丁酮400g。

本实施例的钛酸铝多孔陶瓷的制备方法包括：

将上述原料置于球磨罐中球磨4小时制备浆料，将聚氨酯海绵裁切成100mmx140mmx25mm，将聚氨酯海绵浸渍入浆料中，取出离心，甩去多余浆料，并使用压缩空气将前驱体挂上的浆料吹扫均匀，压缩空气压力为0.5MPa。将挂浆后的聚氨酯海绵置于烘箱中在110℃的条件下干燥固化，重复浸浆、离心、吹扫和干燥固化过程，获得体积分数为20％的钛酸铝泡沫前驱体；将钛酸铝泡沫前驱体置于空气气氛高温电炉中，先在850℃的温度条件下热解脱脂15小时，然后在1500℃的条件下保温5小时烧结获得钛酸铝多孔陶瓷。

试验例1

采用排水法测试实施例1-实施例3制得的钛酸铝多孔陶瓷的孔隙率，其结果如表1所示。

表1.钛酸铝多孔陶瓷的孔隙率

从表1的结果可以看出，本申请实施例1-实施例3的钛酸铝多孔陶瓷均具有较高的孔隙率。

试验例2

将实施例1-实施例3制得的钛酸铝多孔陶瓷进行水冷热震测试，其包括以下步骤：先将马弗炉升温至1400℃，再将钛酸铝多孔陶瓷放入炉内保温5min后夹出投入水中，从水中取出烘干并用放大镜观察是否开裂，如无开裂继续循环水冷热震过程。

测试结果：实施例1-实施例3的钛酸铝多孔陶瓷在水冷热震10次后均无开裂。

试验例3

对实施例1制得的钛酸铝多孔陶瓷在电子扫描显微镜下观察，得到SEM图如图2所示。并将实施例1制得的钛酸铝多孔陶瓷进行水冷热震测试50次后在电子扫描显微镜下观察，得到SEM图如图3所示。水冷热震测试包括以下步骤：先将马弗炉升温至1200℃，再将钛酸铝多孔陶瓷放入炉内保温5min后夹出投入水中，从水中取出烘干，然后重复循环上述过程。

对比图2和图3发现，实施例1的钛酸铝多孔陶瓷经水冷热震50次后，无开裂现象。说明了添加了稳定剂的实施例1的钛酸铝多孔陶瓷具有优异的抗热震性能。

试验例4

对实施例1制得的钛酸铝多孔陶瓷进行XRD测试，并将实施例1制得的钛酸铝多孔陶瓷进行水冷热震测试50次后进行XRD测试，得到的XRD图如图4示。水冷热震测试包括以下步骤：先将马弗炉升温至1200℃，再将钛酸铝多孔陶瓷放入炉内保温5min后夹出投入水中，从水中取出烘干，然后重复循环上述过程。

试验例5

对实施例1-3制得的钛酸铝多孔陶瓷的抗压强度进行测试，其结果如表2所示。

表2.钛酸铝多孔陶瓷的抗压强度

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。