一种SiC/Si管状复合陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种ＳｉＣ基多层管状复合陶瓷的制备方法，该方法以普通纸张为原料，运用溶胶－凝胶技术涂敷，然后经过碳热还原反应，在常压下烧结制备ＳｉＣ基管状复合陶瓷。其方法是首先将无水乙醇和正硅酸乙酯按一定比例水解后，以浓氨水做催化剂，并调节ｐＨ值制备硅溶胶。然后把普通的纸张在预先配制好的硅溶胶中浸泡后烘干，进行仿生设计，制备成多层管状结构。然后浸入酚醛树脂中固化成型，进行炭化、烧结、排硅后得到ＳｉＣ基多层管状复合陶瓷。该方法无需热压烧结，可显著降低陶瓷产品制造成本、节省资源和保护环境，所制备的ＳｉＣ基多层管状复合陶瓷性能优良，可制造形状复杂的大型陶瓷构件，适于腐蚀、磨损、高温环境的使用。

Method for preparing SiC/Si tubular composite ceramic

The invention discloses a preparation method of SiC based multilayer tubular ceramic composites, the method with ordinary paper as raw material, using sol gel coating, and then through the carbothermal reduction reaction under atmospheric pressure by SiC based tubular composite ceramic sintering. The method comprises the following steps: firstly, hydrolysis of anhydrous ethanol and ethyl silicate in a certain proportion, preparation of silica sol by using concentrated ammonia water as catalyst and regulating pH value. Then, the ordinary paper is soaked in pre prepared silica sol to be dried, and bionic design is carried out to prepare a multi-layer tubular structure. Then, the phenolic resin is immersed in the phenolic resin to solidify and form, and then the SiC based multilayer tubular composite ceramics are obtained by carbonization, sintering and silicon removal. This method does not require sintering, can significantly reduce manufacturing cost and save resources and protect the environment, ceramic products, the SiC based multilayer tubular ceramic composites were excellent, large ceramic components can be used for manufacturing complex shape, corrosion, wear and high temperature environment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿生陶瓷的制备方法，特别涉及。
技术介绍
目前层状复合陶瓷材料的成型工艺主要包括(1)预制层片叠放成型基体层和夹层材料均为预制片，按次序依次叠放进行压制成形。(2)干粉分层敷放压制成型基体层和夹层材料均为干粉，依次敷放在模具中进行压制成型。(3)基片涂覆夹层材料浆液后层压成型基体为预制片，夹层材料为料浆，涂覆后叠放压制成型。夹层材料料浆在基体层上的施加方法主要有喷涂法；流延法；浸涂法。在SiC体系层状复合陶瓷的制备中，传统方法大多采用上述复合成型工艺，并进行热压烧结。其中预制基片层成型工艺主要采用流延成型、轧膜成型、注浆成型、电泳沉积等，流延法和轧膜法相对采用得更为广泛一些。但预制基片层成型工艺较为复杂，同时采用热压烧结工艺增加了产品的制造成本。因此寻找一种加工简易，成本低的SiC基层状复合陶瓷成型制备工艺一直是人们所渴望的，如以纸张作为原料通过原位反应无压烧结制备SiC基层状复合陶瓷的方法，但在现有公开的文献中尚未见到相关报道及相关专利。
技术实现思路
本专利技术针对现有SiC基层状复合陶瓷的预制基片成型及热压烧结工艺制备方法复杂、产品制造成本高等缺陷予以改进，提供一种以纸张作为原料通过原位反应无压烧结制备SiC基多层管状复合陶瓷的方法，该方法可以充分利用纸张优异的可设计性，制造形状复杂的大型陶瓷构件，同时又可降低产品制造成本、节省资源和保护环境。为了实现上述任务，本专利技术是采取如下技术方案予以实现1、硅溶胶制备无水乙醇、正硅酸乙酯和蒸馏水按2∶1∶0.8的比例，预水解1小时。以浓氨水做催化剂调节PH值为9-11，在电磁搅拌仪的搅拌下，水解2-6小时，得到硅溶胶。2、陶瓷纸制备将普通纸张在配好的硅溶胶中浸泡40分钟，烘干，纸张增重55％～65％，制成陶瓷纸。3、管状试样制备将酚醛树脂稀释成20％-40％浓度，按照设定的比例与平均粒径为10μm的硅粉配制成浆料，均匀涂敷在陶瓷纸上，按仿生设计制成多层管状试样，120℃下2-4小时烘干，固化成型。4、炭化将预成型多层管状试样置于炭管炉内，在N2气保护下，以1℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，得到纸碳管；5、烧结将炭化后的纸碳管放入石墨坩埚中，然后将坩埚放入真空电阻炉中，抽真空40min后，以5℃/min升温速度加热到800℃后停止抽真空，再通入N2气并以2℃/min升温速度继续加热至1550℃±10℃，保温20min～80min；6、排硅保温后再次抽真空，并升温至1650℃±10℃，保温20min～40min，冷却后即制得SiC/Si多层管状复合陶瓷。本专利技术的方法简单易行，所制备的陶瓷材料性能满足使用要求。通过这种方法制备的SiC/Si多层管状复合陶瓷，其弯曲强度在100Mpa以上，甚至超过了200Mpa，具有优异的力学性能。此外，本专利技术的制备方法还具有以下优点(1)无压烧结，即在烧结的渗硅、排硅过程中无需对试样施加机械压力；(2)原位反应可实现净尺寸成型，即无论在成型还是在最终烧结后都能保持试样尺寸的最小变化；(3)原料来源广泛、价格低廉；(4)环境协调性好，不会造成污染，具有“绿色性”。用本专利技术方法制备的SiC基多层管状复合陶瓷主要应用于腐蚀、磨损、高温环境，包括冶金、石油化工、机械、电力、矿山等行业，特别是各类管道、泵、阀、壳体等形状复杂的大型陶瓷构件，具有广泛的社会价值和经济价值。附图说明图1为本专利技术基于普通纸张制备SiC基多层管状复合陶瓷的工艺流程图。图2为未处理过的普通纸张的SEM照片；图3为经过硅溶胶处理过的陶瓷纸的SEM照片；图4为炭化后的多孔碳试样横断面的扫描电镜照片；图5为SiC/Si多层管状复合陶瓷的断面局部放大后的扫描电镜照片；图6为SiC/Si多层管状复合陶瓷实物图。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步得详细描述。具体实施例方式参见附图，图1为本专利技术基于普通纸张制备SiC/Si仿生陶瓷的工艺流程图，包括将纸张裁剪后浸渍溶胶中制备陶瓷纸，然后烘干、涂层的仿生设计，加入树脂Si浆，固化成型、炭化，烧结和排硅，最后得到SiC/Si仿生陶瓷。图2为未处理过的普通纸张的SEM照片；图3为经过硅溶胶处理过的陶瓷纸的SEM照片；图4为炭化后的多孔碳试样横断面的扫描电镜照片；图5为SiC/Si多层管状复合陶瓷的断面局部放大后的扫描电镜照片；图6为SiC/Si多层管状复合陶瓷实物图。以下是专利技术人给出的具体实施例。需要说明的是，以下是本专利技术较优的实例，用于解释本专利技术，并非用这些实施例限定本专利技术。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本专利技术技术方案所给出的技术特征和范围的情况下，对技术特征所作的增加、或以本领域一些同样内容替换，均应属本专利技术的保护范围。实施例11)陶瓷纸的制备无水乙醇、正硅酸乙酯和蒸馏水按2∶1∶0.8的比例，预水解1小时。以浓氨水做催化剂调节PH值为9，在电磁搅拌仪的搅拌下，水解4小时得到硅溶胶。将普通的纸张在配好的硅溶胶中浸泡40分钟，烘干，纸张增重55％～60％，制成陶瓷纸。2)仿生设计酚醛树脂稀释成40％浓度，按照1∶2的比例与平均粒径为10μm的硅粉配制成浆料，将浆料均匀涂敷在陶瓷纸上。进行仿生设计(管状试样)，120℃下2-4小时烘干，固化成型。3)炭化将预成型试样置于炭管炉内，在N2气保护下，以1℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h。然后将炉子的电压调为0V，让试样随炉冷却，温度降至300℃时关炉并停止供N2气，所述N2气为工业纯普通氮气。4)烧结将炭化后的纸碳管放入石墨坩埚中，然后将坩埚放入真空电阻炉中，抽真空40min后，以5℃/min升温速度加热到800℃后停止抽真空，再通入N2气并以2℃/min升温速度继续加热至1550℃左右，保温20min；5)排硅保温后再次抽真空，并升温至1650℃左右，保温20min，将真空炉电压调为0V，冷却到1200℃，关闭真空泵，随炉自然冷却到900℃断电关炉，冷却后即制得SiC/Si管状复合陶瓷。实施例21)陶瓷纸的制备无水乙醇、正硅酸乙酯和蒸馏水按2∶1∶0.8的比例，预水解1小时。以浓氨水做催化剂调节PH值为10，在电磁搅拌仪的搅拌下，水解4小时得到硅溶胶。将普通的纸张在配好的硅溶胶中浸泡40分钟，烘干，纸张增重55％～60％，制成陶瓷纸。2)仿生设计酚醛树脂稀释成30％浓度，按照1∶2的比例与平均粒径为10μm的硅粉配制成浆料，将浆料均匀涂敷在陶瓷纸上。进行仿生设计(管状试样)，120℃下2-4小时烘干，固化成型。3)炭化将预成型试样置于炭管炉内，在N2气保护下，以1℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h。然后将炉子的电压调为0V，让试样随炉冷却，温度降至300℃时关炉并停止供N2气，所述N2气为工业纯普通氮气。4)烧结将炭化后的纸碳管放入石墨坩埚中，然后将坩埚放入真空电阻炉中，抽真空40min后，以5℃/min升温速度加热到800℃后停止抽真空，再通入N2气并以2℃/min升温速度继续加热至1550℃左右，保温20min。5)排硅保温后再次抽真空，并升温至1650℃左右，保温40min，将真空炉电压调为0V，冷却到1200℃，关闭真空泵，随炉自然冷却到900℃断电关炉，冷却后即制得SiC/Si管状复合陶瓷。实施例31)陶瓷纸的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳｉＣ基多层管状复合陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：ａ、硅溶胶制备：将无水乙醇、正硅酸乙酯和蒸馏水按２∶１∶０．８的比例，预水解１小时，以浓氨水做催化剂调节ｐＨ值为９～１１，在电磁搅拌仪的搅拌下，水解２－６小时，得到硅 溶胶；ｂ、陶瓷纸制备：将普通纸张在配好的硅溶胶中浸泡４０分钟，烘干，使纸张增重５５％～６５％，制成陶瓷纸；ｃ、管状试样制备：将酚醛树脂稀释成２０％－４０％浓度，按照设定的比例与平均粒径为１０μｍ的硅粉配制成浆料，均匀涂敷在陶 瓷纸上；按仿生设计制成多层管状试样，１２０℃下烘干２－４小时，固化成型；ｄ、炭化：将预成型的多层管状试样置于炭管炉内，在Ｎ↓［２］气保护下，以１℃／ｍｉｎ的升温速度加热至８００℃，保温１ｈ，得到纸碳管；ｅ、烧结：将炭化后的纸 碳管放入石墨坩埚中，然后将坩埚放入真空电阻炉中，抽真空４０ｍｉｎ后，以５℃／ｍｉｎ升温速度加热到８００℃后停止抽真空，再通入Ｎ↓［２］气并以２℃／ｍｉｎ升温速度继续加热至１５５０℃±１０℃，保温２０分钟～８０分钟；ｆ、排硅：保温后再 次抽真空，并升温至１６５０℃±１０℃，保温２０分钟～４０分钟，冷却后即制得ＳｉＣ／Ｓｉ管状复合陶瓷。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛涛，金志浩，王伟，王继平，乔冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]