烧结碳化硅多孔材料的制备方法技术

本发明专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，包括如下步骤：1)、主料经处理后为浆料成品，其中主料包括SiC颗粒料和B4C颗粒料，B4C颗粒料作为烧结助剂；2)、向步骤1)得到的浆料成品中添加辅助料制备铸前浆料，添加时保持搅拌，其中辅助料包括丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵；3)、模铸，铸前浆料中再加入过硫酸铵搅拌均匀再行模铸，脱模成坯体；4)、脱水脱脂、烧结。本方案中以较小颗粒尺寸的SiC颗粒料为凝胶主材和以具有较大颗粒尺寸的B4C颗粒料材料为烧结助剂和骨架材料，实现高质量碳化硅凝胶的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔碳化硅材料的制备，特别是烧结碳化硅多孔材料的制备方法。
技术介绍
多孔碳化硅陶瓷由于具有低密度、耐高温、耐腐蚀、高渗透率以及抗氧化、抗热震性能好等优点，使其在高温气体过滤器材料、催化剂载体、气体燃烧室介质和耐火材料方面具有广泛的应用前景。目前，已经较多应用的多孔陶瓷多为氧化物陶瓷，但其存在高温性能不佳、耐腐蚀性能不足等缺点，而多孔碳化硅陶瓷正好能够弥补这些不足；此外，许多特殊领域对多孔陶瓷材料的性能提出了更高的要求，碳化硅材料本身的优点使其成为制备多孔陶瓷的理想材料之一，如在核能领域中用于高温气冷堆中过滤放射性废液和含石墨颗粒的高温氦气。因此，关于多孔碳化硅陶瓷的制备成为目前研究的热点之一。目前，制备多孔碳化硅陶瓷的方法主要有：直接颗粒堆积形成孔隙，添加有机物造孔剂、发泡剂，或者采用木材、高固碳含量的树脂经高温裂解形成多孔坯体、有机泡沫塑料作为模板，或者选用聚碳硅烷作为前躯体等。现有的制备多孔碳化硅陶瓷材料方法，有的工艺较为简单，但孔隙尺寸及孔隙率不能有效进行控制，较难制备孔隙率高于80％以及孔隙定向排列的多孔陶瓷；有的工艺需在制备过程中排除有机物以形成孔隙结构，虽然孔隙率及孔径在一定范围内可控，但同样难于制备高孔隙率的多孔碳化硅陶瓷，此外，有机物的排除对环境不友好；利用聚碳硅烷作为前躯体能够在较低温度下制备多孔碳化硅陶瓷，但制备成本很高。另一方面，上述制备方法难以实现复杂形状的多孔碳化硅陶瓷的制备，若要制备形状复杂的零件，需要进行较大的后续机械加工，大大增加了生产成本。此外，由于碳化硅的烧结性能差，现有的方法制备的多孔碳化硅陶瓷的力学性能较低，在制成的成品中气孔率达到50％时，强度往往低于40MPa，严重限制了多孔碳化硅陶瓷的应用。鉴于此，改进制备多孔碳化硅陶瓷的方法，使之能够有效控制孔隙尺寸及孔隙率，并且能够制备出复杂形状、高性能的多孔碳化硅陶瓷，显得尤为必要。反应烧结法制备碳化硅是指通过单质碳和硅在高温下发生反应生成碳化硅将已有的碳化硅颗粒连接起来得到碳化硅块体材料的方法，该工艺能够实现在较低温度下烧结碳化硅材料，然而，一般情况下单质碳或硅在反应结束后会有残留，严重影响所制备的材料性能。因此，改进反应烧结工艺，保留其低温可以实现烧结的优点、实现反应完全、无任何单质碳或硅的残留，将会促使该工艺获得更大的应用前景。多孔碳化硅陶瓷具有良好的化学稳定性、热稳定性、抗腐蚀性和较高的机械强度等优点。利用泡沫陶瓷的均匀透过性，可以制造各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件等；利用其发达的比表面积，可以制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器等；其应用已经遍及冶金、化工、环保、能源、生物、航空航天等各个部门。随着材料学界的重视，这成为一个非常活跃的研究领域。多孔碳化硅陶瓷的应用范围仍在不断的进一步发展，应用前景十分乐观。传统的多孔碳化硅陶瓷的制备方法很多，如注浆法、造孔剂法、直接发泡法等。但是这些传统制备多孔陶瓷的方法通常要加入大量的有机造孔剂及粘结剂，有机物在高温裂解时产生大量的挥发物造成环境污染等问题，另外这些造孔剂价格高，损耗大，造成多孔碳化硅陶瓷的制备成本较高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，以较小颗粒尺寸的SiC颗粒料为凝胶主材和以具有较大颗粒尺寸的B4C颗粒料材料为烧结助剂和骨架材料，实现高质量碳化硅凝胶的制备，并且具有发泡效果好，微孔分布均匀，质量均匀稳定，一致性好，可控性强。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，包括如下步骤：1)、主料经处理后为浆料成品，其中主料包括SiC颗粒料和B4C颗粒料，B4C颗粒料作为烧结助剂；2)、向步骤1)得到的浆料成品中添加辅助料制备铸前浆料，添加时保持搅拌，其中辅助料包括丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵；(此时还可以为辅助料按丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵的先后顺序添加)3)、模铸，铸前浆料中再加入过硫酸铵搅拌均匀再行模铸，脱模成坯体；4)、脱水脱脂、烧结，脱水脱脂为坯体在烘干环境下进行，烘干环境为由室温经至少一个阶段的升温工序实现，烘干环境的最终烘干温度为300-350℃，其中每一个升温工序包括一个程序升温阶段和一个保温阶段。本方案中通过至少一个阶段的升温工序，实现对坯体的均质脱水脱脂，通过较低的升温速度使得坯体中的水分或者脂质能够较为均匀地散发出去，并且降低杂质残余(如过快过高升温致使碳化等等)，而不会因湿度不均匀而导致形变或者孔洞结构坍塌，甚至出现裂纹等缺陷而影响到多孔材料的整体性能，从而提升碳化硅多孔材料的质量稳定性和强度。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤1)中浆料成品为将主料在占主料总量20-25％的水中经一次球磨后过60-80目筛得到。本方案中选用适量的水(水过多易于发生分层，而影响球磨混合效率，而过少则不易混合均匀)进行助混球磨，控制研磨体系中固液的体积比，从而具有较高的研磨效率。碳化硼密度为2.52g/cm3；碳化硅密度为3.20～3.25g/cm3；水为1g/cm3。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤2)中辅助料用量为，按照占浆料成品总质量的百分比计量：丙烯酰胺4-5％、亚甲基双丙烯酰胺0.2-0.3％、聚丙烯酸铵0.05％。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤2)中辅助料添加时，在添加亚甲基双丙烯酰胺后还以四甲基氢氧化铵调节浆料的pH至10-11后，再行添加聚丙烯酸铵。以四甲基氢氧化铵来调节pH值，还可以在成型时使其避开干燥初期(环境温度低，坯件湿度大，排气速度过大易造成孔分布不均)而在坯体得到一定的干燥后(此时坯体得到了初步干燥，整体湿度明显降低，不易受到干燥速度影响，温度稍高，达到分解温度)而被彻底排除，避免造成孔径过大，而造成造孔分布不均而影响产品质量和性能稳定性、一致性。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤3)中过硫酸铵的添加量为占使用的铸前浆料总质量的0.03-0.08％。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤4)脱水脱脂时，其中一个升温工序的程序升温阶段中升温速率为0.3-0.5℃/min和保温阶段为在该工序升温终点保温1.5-2.5h，该工序的升温起点为室温，升温终点为80-150℃。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤4)脱水脱脂时，其中一个升温工序的程序升温阶段中升温速率为0.5-1℃/min和保温阶段为在该工序升温终点保温0.3-1h，该工序的升温起点为80-150℃，升温终点为180-250℃。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤4)脱水脱脂时，其中一个升温工序的程序升温阶段中升温速率为0.5-1℃/min和保温阶段为在该工序升温终点保温0.3-1h，该工序的升温起点为180-250℃，升温终点为280-350℃。本专利技术公开的烧结碳化硅多孔材料的制备方法的一种改进，步骤4)中烧结后，以2～5℃/min的速率降温到500～700℃并保温2～4小时，再以5～10℃/min的速率降温到200～400℃并保温2～4小时，然后随炉冷却。本阶段还可以进行炉内气体循环喷吹，促进气体循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
烧结碳化硅多孔材料的制备方法，包括如下步骤：1)、主料经处理后为浆料成品，其中主料包括SiC颗粒料和B4C颗粒料，B4C颗粒料作为烧结助剂；2)、向步骤1)得到的浆料成品中添加辅助料制备铸前浆料，添加时保持搅拌，其中辅助料包括丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵；3)、模铸，铸前浆料中再加入过硫酸铵搅拌均匀再行模铸，脱模成坯体；4)、脱水脱脂、烧结，脱水脱脂为坯体在烘干环境下进行，烘干环境为由室温经至少一个阶段的升温工序实现，烘干环境的最终烘干温度为300‑350℃，其中每一个升温工序包括一个程序升温阶段和一个保温阶段。

【技术特征摘要】
1.烧结碳化硅多孔材料的制备方法，包括如下步骤：1)、主料经处理后为浆料成品，其中主料包括SiC颗粒料和B4C颗粒料，B4C颗粒料作为烧结助剂；2)、向步骤1)得到的浆料成品中添加辅助料制备铸前浆料，添加时保持搅拌，其中辅助料包括丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵；3)、模铸，铸前浆料中再加入过硫酸铵搅拌均匀再行模铸，脱模成坯体；4)、脱水脱脂、烧结，脱水脱脂为坯体在烘干环境下进行，烘干环境为由室温经至少一个阶段的升温工序实现，烘干环境的最终烘干温度为300-350℃，其中每一个升温工序包括一个程序升温阶段和一个保温阶段。2.根据权利要求1所述的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中浆料成品为将主料在占主料总质量20-25％的水中经一次球磨后过60-80目筛得到。3.根据权利要求1所述的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中辅助料用量为，按照占浆料成品总质量的百分比计量：丙烯酰胺4-5％、亚甲基双丙烯酰胺0.2-0.3％、聚丙烯酸铵0.05％。4.根据权利要求4所述的烧结碳化硅多孔材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中辅助料添加时，在添加亚甲基双...

【专利技术属性】
技术研发人员：李友宝，励永平，叶传剑，
申请(专利权)人：宁波东联密封件有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33