一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法。其技术方案是：将碳化硅、炭素原料、碳化硼、钼粉、木质素磺酸铵或聚乙烯醇、聚羧酸盐、羧甲基纤维素和水混匀，得浆料Ⅰ，将碳化硅、炭素原料、钼粉和聚羧酸盐、无水乙醇和水球磨搅拌，得浆料Ⅱ。将聚氨酯海绵浸渍于浆料Ⅰ中，浸渍后挤压或甩浆，干燥，在埋碳气氛下经600~800℃处理得到碳化硅泡沫陶瓷预形体；再用浆料Ⅱ进行真空浸渍，甩浆后干燥，得到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体；最后在真空状态下和1500~1800℃条件下渗硅处理2~4h，制得反应烧结碳化硅泡沫陶瓷。本发明专利技术成本低和易于工业化生产，所制制品强度高、抗热震性能优异、抗氧化性能优良和能在高于1500℃的富氧环境下长期使用。

A reactive sintering silicon carbide foam ceramic and its preparation method

The present invention relates to a reaction - sintered silicon carbide foam ceramic and a preparation method. The technical scheme is as follows: carbon materials, silicon carbide, boron carbide, molybdenum powder, ammonium lignosulfonate or polyvinyl alcohol, polycarboxylate, carboxymethyl cellulose and water mixing, the pulp will I, silicon carbide, carbon raw materials, molybdenum powder and poly carboxylic acid salt, anhydrous alcohol and stirring ball mill, pulp ii. The polyurethane sponge dipped in paste I, after impregnation extrusion or rejection of slurry, drying, in the atmosphere get buried carbon silicon carbide ceramic foam preform by 600~800 treatment; then the slurry II in vacuum impregnation, flinging pulp drying, by reaction sintering of silicon carbide foam ceramic body; finally siliconizing 2~4h under vacuum condition 1500~1800 and C, prepared by reaction sintering of SiC ceramic foam. The invention has the advantages of low cost and easy industrial production. The product has high strength, excellent thermal shock resistance and excellent oxidation resistance, and can be used for long term in an oxygen enriched environment above 1500 degrees.

【技术实现步骤摘要】
一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法
本专利技术属于泡沫陶瓷
尤其涉及一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法。
技术介绍
受资源总量、技术水平及工业基础的限制，目前的能源消费结构仍以化石能源为主。化石能源的燃烧方式所产生的污染物对环境带来了严重污染，使得当前的减排治污、保护生态刻不容缓。多孔介质燃烧能将燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和福射作用对气体进行预热，从而实现超绝热燃烧，具有适用范围广、可调功率范围大、污染物排放低等优点。不仅如此，利用多孔介质燃烧技术还可以实现热值极低的有机废气或工业废气的自维持稳定燃烧，为低热值气体的回收利用提出了新的方案。因此，发展多孔介质燃烧技术，对优化能源结构、提高能源利用率以及缓解能源紧张具有重要的战略意义。碳化硅泡沫陶瓷因其特殊的三维多孔网状结构而具有透气性好、耐高温、耐腐蚀以及热导率高等优点，被广泛用于多孔介质燃烧器。目前，有机泡沫浸渍法制备碳化硅泡沫陶瓷因工艺简便和设备投入少而适用于大规模工业化生产。但是，通过有机泡沫浸渍法制备的碳化硅泡沫陶瓷由于有机模板的高温分解并逸出而形成中空孔洞以及在孔筋表面残留大量的缺陷，致使泡沫陶瓷的力学性能和抗热震性能差。同时，碳化硅泡沫陶瓷的多孔骨架在高温、富氧环境下极易被氧化，导致碳化硅泡沫陶瓷的使用寿命大幅降低。为解决碳化硅泡沫陶瓷的力学性能以及抗氧化性能差等问题，专利“一种制备SiC泡沫陶瓷过滤器的方法”(CN102503520A)，公开了一种采用有机泡沫浸渍法制备碳化硅泡沫陶瓷，并添加锂基膨润土来实现液相烧结。该技术所制备的碳化硅泡沫陶瓷虽因材料中玻璃相的形成对提高材料的常温力学性能有利，但是玻璃相的产生会显著降低碳化硅泡沫陶瓷的抗热震性能；并且，采用该技术制备的碳化硅泡沫陶瓷，由于材料的孔筋呈中空状，极易产生应力集中，因此降低了材料的抗热冲击能力。又如专利“一种铸造用泡沫陶瓷过滤器的制备方法”(CN1830911A)的专利技术，公开了一种以聚乙烯亚胺溶液进行表面活化处理的网状聚氨酯泡沫塑料为载体，以糊精或糊精和硅溶胶组成的混合物为粘结剂，在以SiC为主要成分的浆体中，经浸渍、甩浆制得坯体，并经干燥及1400～1500℃高温烧制成SiC泡沫陶瓷。所制备的碳化硅泡沫陶瓷虽具有力学性能好、耐热冲击性优良等特点，但由于聚氨酯海绵高温分解并逸出，使碳化硅孔筋内存在大量的贯穿气孔，导致碳化硅泡沫陶瓷抗氧化能力降低、耐高温性能差，无法满足泡沫陶瓷在高于1500℃时的长期使用。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低和易于工业化生产的反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，用该方法制备的反应烧结碳化硅泡沫陶瓷强度高、抗热震性能优异、抗氧化性能优良和能在高于1500℃的富氧环境下长期使用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案的步骤是：步骤一、将60~80wt%的碳化硅、5~15wt%的炭素原料、5~15wt%的碳化硼和8~15wt%的钼粉混合，得混合粉Ⅰ；再向所述混合粉Ⅰ中加入占所述混合粉Ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵或聚乙烯醇、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.3~1wt%的羧甲基纤维素和25~45wt%的水，搅拌30~60min，制得浆料Ⅰ。步骤二、将65~80wt%的所述碳化硅、5~12wt%的所述炭素原料和10~25wt%的所述钼粉混合，得混合粉Ⅱ，再向所述混合粉Ⅱ中加入占所述混合粉Ⅱ0.3~1wt%的所述聚羧酸盐、0.01~0.06wt%的无水乙醇和25~55wt%的水，球磨2~5h，制得浆料Ⅱ。步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述浆料Ⅰ中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃干燥24h；在埋碳气氛和1~3℃/min的速率条件下升温至600~800℃，保温0.5~3h，得到碳化硅泡沫陶瓷预形体；然后将所述碳化硅泡沫陶瓷预形体浸入所述浆料Ⅱ中，抽真空至100~500Pa，保压10~40min，离心甩浆，在110℃条件下干燥24h，得到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体。步骤四、将所述反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体置入真空炉内，所述真空炉内铺有占所述反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体的10~60wt%的硅粉，在1~100Pa条件下，以2~6℃/min的速率升温至1500~1800℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即得反应烧结碳化硅泡沫陶瓷。所述碳化硅的平均粒度≤45μm，所述碳化硅的SiC含量≥98wt%。所述炭素原料为炭黑、沥青粉和碳纤维的一种或两种；所述炭黑和沥青粉的平均粒径≤1μm，所述碳纤维的长度≤4μm。所述碳化硼的平均粒度≤3μm，所述碳化硼的B4C含量≥99wt%。所述钼粉的平均粒度≤3μm，所述钼粉的Mo含量≥99wt%。所述硅粉的平均粒度≤1mm，所述硅粉的Si含量≥97wt%。由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有如下积极效果：本专利技术将碳化硅、炭素原料、碳化硼、钼粉、木质素磺酸铵或聚乙烯醇、聚羧酸盐和水混匀，制得浆料Ⅰ，将碳化硅、炭素原料、钼粉和聚羧酸盐和水球磨搅拌，制得浆料Ⅱ。将聚氨酯海绵浸渍于浆料Ⅰ中，浸渍后挤压或甩浆，干燥，在埋碳气氛下经600~800℃处理，得到碳化硅泡沫陶瓷预形体；再用浆料Ⅱ对碳化硅泡沫陶瓷预形体进行真空浸渍，甩浆后干燥，得到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体；最后在真空状态下和1500~1800℃条件下渗硅2~4h，制得反应烧结碳化硅泡沫陶瓷。该工艺原料来源广、无需特殊设备，成本低且易于工业化生产。本专利技术采用真空渗硅以及反应烧结技术，不仅能通过硅蒸气的渗入以实现反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体孔筋的致密化，从而起到抗氧化作用，而且还能利用硅蒸气与碳化硼以及钼粉原位反应烧结形成中间相Bx(C,Si)y和MoSi2，降低孔筋内部残余硅的含量，进一步提高了反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的力学性能和抗热震性能。本专利技术首先对经600~800℃碳化后的碳化硅泡沫陶瓷预形体于浆料Ⅱ中真空浸渍，在填充碳化硅泡沫陶瓷预形体的中空孔筋的同时还对孔筋表面缺陷进行修复。在真空渗硅过程中，真空炉中的硅蒸气能通过毛细管作用沿气孔通道渗入反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体的孔筋内部，并且与炭素原料、碳化硼以及钼粉发生反应烧结，通过形成三元化合物（Bx(C,Si)y和MoSi2）达到孔筋致密化并细化显微结构，进而实现反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的强韧化。另外，渗入到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体孔筋的硅能与炭素原料反应生成碳化硅而被大量消耗，同时在与碳化硼和钼粉反应形成Bx(C,Si)y和MoSi2时能进一步将孔筋内残余硅的含量降至最低。反应烧结碳化硅泡沫陶瓷内部残余硅的减少能显著降低因硅粉的氧化而形成石英相的风险，进而提高了反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的高温抗热震性能；其次，原位反应生成的三元化合物Bx(C,Si)y和MoSi2因具备超高温性能能够在高于1500℃和富氧环境下提高反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的抗氧化作用，故在兼顾反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的力学性能和抗热震性能的同时还赋予其优异的抗氧化性能。本专利技术制备的反应烧结碳化硅泡沫陶瓷经检测：常温抗折强度为4~7MPa；1100℃水冷循环次数为20~25次；在空气气氛下经1600℃氧化10小时后SiC氧化率为0.1~3%。因此，本专利技术成本低和易于工业化生产，所制备的反应烧结碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：步骤一、将60~80wt%的碳化硅、5~15wt%的炭素原料、5~15wt%的碳化硼和8~15wt%的钼粉混合，得混合粉Ⅰ；再向所述混合粉Ⅰ中加入占所述混合粉Ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵或聚乙烯醇、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.3~1wt%的羧甲基纤维素和25~45wt%的水，搅拌30~60min，制得浆料Ⅰ；步骤二、将65~80wt%的所述碳化硅、5~12wt%的所述炭素原料和10~25wt%的所述钼粉混合，得混合粉Ⅱ，再向所述混合粉Ⅱ中加入占所述混合粉Ⅱ0.3~1wt%的所述聚羧酸盐、0.01~0.06wt%的无水乙醇和25~55wt%的水，球磨2~5h，制得浆料Ⅱ；步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述浆料Ⅰ中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃干燥24h；在埋碳气氛和1~3℃/min的速率条件下升温至600~800℃，保温0.5~3h，得到碳化硅泡沫陶瓷预形体；然后将所述碳化硅泡沫陶瓷预形体浸入所述浆料Ⅱ中，抽真空至100~500Pa，保压10~40min，离心甩浆，在110℃条件下干燥24h，得到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体；步骤四、将所述反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体置入真空炉内，所述真空炉内铺有占所述反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体的10~60wt%的硅粉，在1~100Pa条件下，以2~6℃/min的速率升温至1500~1800℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即得反应烧结碳化硅泡沫陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种反应烧结碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：步骤一、将60~80wt%的碳化硅、5~15wt%的炭素原料、5~15wt%的碳化硼和8~15wt%的钼粉混合，得混合粉Ⅰ；再向所述混合粉Ⅰ中加入占所述混合粉Ⅰ0.5~2wt%的木质素磺酸铵或聚乙烯醇、0.1~0.5wt%的聚羧酸盐、0.3~1wt%的羧甲基纤维素和25~45wt%的水，搅拌30~60min，制得浆料Ⅰ；步骤二、将65~80wt%的所述碳化硅、5~12wt%的所述炭素原料和10~25wt%的所述钼粉混合，得混合粉Ⅱ，再向所述混合粉Ⅱ中加入占所述混合粉Ⅱ0.3~1wt%的所述聚羧酸盐、0.01~0.06wt%的无水乙醇和25~55wt%的水，球磨2~5h，制得浆料Ⅱ；步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述浆料Ⅰ中，浸渍10~30min，挤压或离心甩浆，在90~110℃干燥24h；在埋碳气氛和1~3℃/min的速率条件下升温至600~800℃，保温0.5~3h，得到碳化硅泡沫陶瓷预形体；然后将所述碳化硅泡沫陶瓷预形体浸入所述浆料Ⅱ中，抽真空至100~500Pa，保压10~40min，离心甩浆，在110℃条件下干燥24h，得到反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体；步骤四、将所述反应烧结碳化硅泡沫陶瓷坯体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚伟，梁雄，桑绍柏，徐义彪，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42