[发明专利]无缺陷多孔陶瓷/Ti-Al合金复合膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷/Ti-Al合金复合膜的制备技术。

背景技术

各种膜材料有着自身特有的优点及不足，利用不同膜材料进行复合，制备的复合膜可以使他们的优缺点得以相互补充，既保留了它们各自的优点，又可以克服两者的缺点，复合膜的应用可以使膜的应用范围进一步扩大。其中陶瓷/多孔金属复合膜（以多孔金属为载体，陶瓷为活性分离层）不仅保存了金属的良好的焊接性，使膜组件易于密封连接，同时还可以保留陶瓷活性分离层所特有的耐高温、耐高压、化学稳定性好、抗污染、分离精度高等优点。但是，目前所广泛使用的金属支撑体（大多为不锈钢）耐腐蚀性能差，抗高温氧化能力不够，耐氢脆性能差，热膨胀系数与陶瓷相差较大，这些缺点严重制约着其应用。

Ti-Al合金是典型的金属间化合物，由金属键和共价键共同构成，不仅具有金属的强韧性，高导电导热性，而且具有陶瓷的耐腐蚀性，耐高温性（特别是温度高于600 ℃时）。除此之外，相比于不锈钢，它的膨胀系数与陶瓷更接近，这样有利于复合膜的热稳定性。这些优点确保它能够应用于更苛刻的环境中。但是，一方面，由于金属表面疏水，较难在上面直接制备陶瓷膜。另一方面，由于膨胀系数的差别，所制备的复合膜在高温下容易分层，从而导致膜层的破坏。

目前以多孔Ti-Al合金为支撑体，以陶瓷层为活性分离层的金属陶瓷复合膜的报道较少，周守勇首先利用电泳沉积结合浸浆法制备了TiO₂/Ti-Al合金复合膜，但是该方法所制膜厚度均匀性较难控制，容易引入气泡使得膜不完整，并且两层之间由于膨胀系数差别很容易导致高温下复合膜的分层。范益群课题组采用原位氧化法制备了陶瓷/Ti-Al合金复合膜，有效地解决了膜层之前的结合力问题，但是由于Ti-Al合金支撑体存在大孔缺陷，以至于后面原位氧化法所制备的陶瓷/Ti-Al合金复合膜也存在大孔缺陷。

总之，以Ti-Al合金为支撑体，以陶瓷层为活性分离层的陶瓷/金属复合膜的报道较少，并且用其他一些方法所制备的陶瓷/Ti-Al合金复合膜膜层之间结合力较差，并且存在大孔缺陷。

发明内容

本发明的目的是有效地解决通过普通原位氧化法制备陶瓷/Ti-Al合金复合膜是出现的大孔缺陷问题。

本发明是无缺陷多孔陶瓷/Ti-Al合金复合膜的制备方法，其步骤为：

（1）选择粒径比多孔Ti-Al合金支撑体平均表面孔径大5~30%的陶瓷粒子，以所用溶剂或水的质量为基准，按照重量百分百0.05~20%的比例加入到有机溶剂或水中，再以溶剂或水的质量为基准，依次加入质量百分比为0.1~5%的分散剂和0.1~5%的增稠剂，制备出分散均匀、稳定的陶瓷粒子悬浮浆料；

（2）将清洗后的多孔Ti-Al合金支撑体浸入到步骤（1）中制备的浆料中，采用抽负压的方法，将浆料中的陶瓷粒子吸附在多孔Ti-Al合金支撑体表面的大孔孔口处；所抽负压为0.01~0.1 MPa，浸浆时间为10~300 s；浸浆后清洗掉表面附着的多余陶瓷粒子；

（3）将修饰后的支撑体固定于由耐高温、防氧化材料制备的保护槽，或保护套内，可以有效地保护Ti-Al支撑的其他部位在后续原位氧化过程中不被氧化；

（4）将步骤（3）中的组件及支撑体整体放入含氧气氛中，在600~1000℃下烧结1~20h，使多孔Ti-Al合金支撑体表面发生原位氧化，生成一种含氧化铝和氧化钛的混合陶瓷层。

本发明的有益效果为：1.  有针对性地对Ti-Al支撑体表面的大孔径孔口进行填堵、修饰，对支撑体的表面孔隙率影响不大；2. 使用耐高温、防氧化保护组件，可以有效地避免了支撑体其他部位发生原位氧化，使原位氧化反应仅发生在指定的部位；3.用陶瓷粒子对多孔Ti-Al合金进行表面修饰确保原位氧化反应只发生在多孔Ti-Al合金表面以及接近表面的孔口处，能够有效地避免因Ti-Al合金支撑体孔道氧化而导致的通量下降的问题；4.原位氧化法有利于增强陶瓷膜和Ti-Al合金支撑体之间的结合力，增加了高温下陶瓷/Ti-Al合金复合膜的稳定性。

附图说明

图1 为无缺陷多孔陶瓷/Ti-Al合金复合膜的制备工艺流程与普通原位氧化流程对比示意图，图2 为未经过高温氧化的Ti-Al合金支撑体表面SEM照片，图3 为在空气中通过750 ℃原位氧化2 h后表面SEM照片。

具体实施方式

如图1所示，本发明是无缺陷多孔陶瓷/Ti-Al合金复合膜的制备方法，其步骤为：