[发明专利]一种多孔陶瓷—金属复合膜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔复合膜材料的制备方法，尤其涉及一种陶瓷层表面平整、附着力强的多孔陶瓷—金属复合膜材料的制备方法。

背景技术

膜分离法无需相变过程，具有节能、高效、操作简便、环境友好等特点，受到世界各国和诸多行业的极大关注。目前已在石油化工、生物医药和食品等领域的分离与纯化过程中得到广泛应用。随着膜技术应用领域的不断拓展，对膜的性能提出了更高要求。

根据膜材质的不同，可将其分为无机膜和有机膜两大类，其中无机膜具有强度高、化学性能稳定、耐热、耐溶剂、耐生物性能好等特点，可弥补有机膜的不足。而无机膜又分为陶瓷膜和金属膜。相对而言，陶瓷膜的孔径更小，化学与热稳定性更好，在微滤、超滤、纳滤等领域均得到应用。然而陶瓷膜属脆性材料，而且在高温条件下使用不易密封。多孔金属，尤其是多孔不锈钢则在这方面具有突出的优势。然而与陶瓷膜相比，多孔金属膜的孔径很难像陶瓷膜那样缩小到纳米级，其主要原因是难以制备粒度均匀、性能稳定的纳米级金属粉体。不锈钢的特殊组成与晶体结构使其具有任何单金属无法比拟的优点，然而正是这个原因，其粒径很难再细，否则其组成将会发生偏移，性能也将发生变化；其他单金属虽能获得纳米级粉体，但难以具备同不锈钢一样稳定的性质。

为兼具多孔金属膜的高机械强度以及陶瓷膜的高分离精度，人们提出了多孔陶瓷—金属复合膜的产品概念，即以高强度的大孔径金属为基体、微孔陶瓷为膜层形成复合膜材料。理想的复合膜应具备膜层完整、空隙率大，物理强度高等特点，且要易于制备。其中强度高既是指陶瓷膜层和多孔金属基体之间有足够的附着力，同时陶瓷层本身也不能过于酥松，否则陶瓷层在使用过程中易损坏；而高的孔隙度可以实现高的膜通量；易于制备较大面积的涂层，则便于降低成本，有助于商业应用。然而，上述要求中陶瓷层强度高是最难以实现的，主要原因在于陶瓷和金属是性质完全不同的材料，两者缺乏亲和力，并且热膨胀系数显著不同。

制备复合膜陶瓷层的材料有Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂、YSZ (钇稳定氧化锆，Zr_0.92Y_0.08O_x)等，目前的制备方法多参考陶瓷膜的制备技术，如溶胶–凝胶法、热喷涂法（thermal spray）、磁控溅射法（magnetron sputtering）、湿粉喷涂法（wet powder spray）、刷涂法（brush coating）等。溶胶—凝胶法和湿粉喷涂法制备的陶瓷膜层孔径均匀，缺陷较少，但往往附着力差、易脱落。热喷涂法、磁控溅射法是通过热源将陶瓷粉体加热至熔融或半熔融状态，喷涂至基体上形成涂层，其附着力高，易于制备，但制备的膜层往往过于致密、孔隙率偏低，且易出现裂纹、大孔等缺陷，很难满足实际使用要求。总之，现有的诸多复合膜的制备方法或是工艺复杂、成本太高，或是产品性能难以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于改进现有多孔陶瓷—金属复合膜的制备方法所存在的陶瓷膜层附着力差，制备工艺中涂层过程与烧结工序复杂，膜层光洁度差、缺陷多等问题，提出一种多孔陶瓷—金属复合膜的制备方法，特别是膜面平整、无缺陷的高强度多孔复合膜材料的制备方法。

众所周知，金属与陶瓷的热膨胀系数相差较大，以氧化铝和不锈钢为例，其膨胀系数相差近一倍，因此，通常很难将其烧结在一起。本发明的解决思路是改进制备工艺，使多孔金属基体与陶瓷膜层在烧结时同步膨胀，在高温条件下共烧，形成高强度多孔陶瓷—金属复合膜材料。

本发明采用的技术方案如下：

一种多孔陶瓷—金属复合膜材料的制备方法，其特征在于：以陶瓷为刚性外模，在其内表面制备陶瓷涂层，再将金属粉体添加至刚性外模与弹性内模间的空腔内，密封后冷等静压成型，将压制成型的多孔陶瓷—金属复合膜坯体连同刚性外模一起烧结，烧结体与刚性外模分离后制得。