一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷及其制备方法，属于多孔陶瓷材料制备技术领域。本发明专利技术利用冷冻干燥技术，以不同粒径的SiC粉末为原料并添加分散剂和烧结助剂，配制一定固相含量的水系陶瓷浆料。在浆料冷冻过程中，粒径越大的颗粒沉降速率越快，从而形成梯度结构，经过干燥以及烧结，制备成底部为大颗粒，上部为小颗粒的层片状梯度多孔SiC陶瓷材料。与传统多孔陶瓷制备方法相比，该方法通过浆料固相含量、浆料粘度、冷冻温度、冷冻速率和烧结工艺等条件的选择，可以对孔的形貌、尺寸以及孔隙率等影响多孔陶瓷性能的主要因素进行良好的控制，充分发挥多孔陶瓷材料的应用潜力，拓展应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷及其制备方法
本专利技术属于多孔陶瓷材料制备
，具体涉及一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷及其制备方法。
技术介绍
SiC多孔陶瓷兼具SiC陶瓷优异的理化性能和多孔材料的透过性、发达的比表面积、能量吸收性能、低密度以及低热传导等性能，在净化过滤、保温隔热、生物医疗、电子器件、航空航天和能源化工等各方面都有广泛的应用。与传统多孔陶瓷制备工艺相比，冷冻干燥法通过浆料固相含量、冷冻温度、冷冻速率等的选择，可以对孔的形貌、尺寸以及孔隙率进行良好的控制，可以充分的发挥多孔陶瓷材料的应用潜力，拓展应用领域。梯度多孔材料是一种孔径数量及分布呈连续变化的多孔材料。孔隙率较低的一端具有较好的抗压性，起到保护和支撑作用；而孔隙率较高的一端则具备多孔陶瓷的功能性。这种梯度结构使得多孔陶瓷在保证过滤、分离、隔热等功能性的同时还具有较高的力学性能。结合多孔SiC陶瓷的优异性能，梯度多孔SiC陶瓷将具有广泛应用前景，因此其制备工艺是研究热点之一。中国专利《仿生梯度多孔陶瓷材料的制备方法》(申请号：201310046286.2，申请公布号CN103145438A，申请公布日2013.06.12)公开了一种注浆成型结合多次冷冻干燥技术，制备孔隙率由内向外减小、具有内疏外密仿生结构的梯度多孔陶瓷材料。该方法通过多次冷冻来得到由内向外的梯度材料，冷冻时由于内侧的冷冻体温度低于零下，导致温度梯度为由下到上，自内而外的双梯度，结构控制较为困难，应用难度大。中国专利《一种制备梯度多孔氮化硅陶瓷材料的方法》(申请号：201410548575.7，申请公布号CN104311114A，申请公布日2015.01.28)公开了一种以氮化硅为原料，采用真空发泡法结合冷冻干燥工艺制备梯度多孔氮化硅陶瓷材料的方法。利用该方法制备的氮化硅梯度多孔材料，需要加入发泡剂且发泡工艺控制难度较大，一定程度上限制了其生产及应用领域。GuangliangLiu等发表的论文《FabricationofGradientPorousSiCCeramicswithDirectionalPoreswithoutTemplates》(《无模板制备具有定向孔的梯度多孔SiC陶瓷》)，选自《MATERIALSANDMANUFACTURINGPROCESSES》(《材料及制备工艺》)2011年第26卷第886-889页，采用SiC粉为原料，Si3N4粉为造孔剂，通过2200℃的高温重结晶烧结工艺制备出梯度多孔SiC陶瓷。但该工艺制备温度高、对设备要求高，难以实际应用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷及其制备方法，该方法操作简便、对设备要求低、环境友好，该方法能够制得底部为大颗粒、上部为小颗粒的层片状梯度多孔SiC陶瓷材料。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开的一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)配制陶瓷浆料将分散剂溶于去离子水中制得稳定的溶液，向该稳定的溶液中加入烧结助剂和两种或两种以上的粒径不同的SiC颗粒混合而成的SiC陶瓷颗粒，球磨混料，制得陶瓷浆料；2)浆料除气采用真空搅拌除气法去除陶瓷浆料中的气泡；3)冷冻将经步骤2)除气处理后的陶瓷浆料置于冷却模具中，进行冷冻，冷冻温度为-5℃～-55℃，得到冷冻生坯；4)真空冷冻干燥将冷冻生坯在-55℃、1Pa的真空度下，真空冷冻干燥处理，制得多层片状梯度多孔SiC坯体；5)排胶和烧结将多层片状梯度多孔SiC坯体，自室温起，以1～3℃/min的升温速率，加热至500～800℃，排胶处理2～4h；再以10～12℃/min的升温速率，加热至1300～1500℃，保温3～5h，制得层片状梯度多孔碳化硅陶瓷。优选地，步骤1)中，粒径不同的SiC颗粒包括粒径为30～75μm的大粒径SiC颗粒和粒径为0.4～30μm的小粒径SiC颗粒；其中，SiC陶瓷颗粒中，30～75μm的大粒径SiC颗粒所占的质量比为10％～90％，余量为0.4～30μm的小粒径SiC颗粒；优选地，步骤1)中，陶瓷浆料的固相含量为15％～45％。优选地，步骤1)中，分散剂为羧甲基纤维素钠，添加量为SiC陶瓷颗粒质量的0.3％～1％。优选地，步骤1)中，烧结助剂为Al2O3，用量为SiC陶瓷颗粒质量的4％～8％。优选地，步骤1)中，球磨混料的处理时间为20～30h。优选地，步骤3)所述的冷却模具，侧壁和基底采用低导热的硅胶材料，中心棒采用高导热的铜棒。优选地，步骤4)所述真空冷冻干燥处理的时间为5～30h。本专利技术还公开了采用上述的制备方法制得的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，利用冷冻干燥技术，以不同粒径的SiC粉末为原料并添加分散剂和烧结助剂，配制一定固相含量的水系陶瓷浆料。在浆料冷冻过程中，粒径越大的颗粒沉降速率越快，从而形成梯度结构，经过干燥以及烧结，制备成底部为大颗粒，上部为小颗粒的层片状梯度多孔SiC陶瓷材料。与传统多孔陶瓷制备方法相比，该方法通过浆料固相含量、浆料粘度、冷冻温度、冷冻速率和烧结工艺等条件的选择，可以对孔的形貌、尺寸以及孔隙率等影响多孔陶瓷性能的主要因素进行良好的控制，充分发挥多孔陶瓷材料的应用潜力，拓展应用领域。经本专利技术制得的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷材料有助于选择性过滤和分离等功能的实现，并且有效拓展了其应用领域。附图说明图1为实施例1制备的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的宏观形貌图；图2为实施例1制备的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的横截面形貌图；图3为浆料固相含量与SiC坯体孔隙率的关系；图4为浆料固相含量为30vol％的SiC烧结体烧结温度与其孔隙率的关系。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。实施例1一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)将30μm和7.5μm的SiC粉末为原料，其中7.5μm粒径SiC颗粒的质量百分比为50％，并加入质量比为0.8％的分散剂羧甲基纤维素钠和质量比为5％的烧结助剂Al2O3，加入去离子水制备固相含量为20vol％的陶瓷浆料，球磨30小时；(2)将球磨后的浆料在真空中搅拌除气20分钟后倒入硅胶冷却模具中；(3)在-40℃冷冻陶瓷浆料，大约10分钟；(4)利用冷冻干燥机将冷冻的坯体在-55℃，1Pa的条件下进行真空冷冻干燥，处理时间为10h，获得SiC陶瓷生坯；(5)将SiC陶瓷生坯在电阻炉中以3℃/min的速率加热至800℃保温2小时除去有机物，然后置于空气炉中烧结3小时，生坯的烧结温度为1400℃，获得层片状梯度多孔SiC陶瓷。制得的层片状梯度多孔SiC陶瓷的宏观形貌如图1所示，微观形貌如图2所示，从图1中可以看出，利用该专利技术制备的层片状梯度材料，其上部是由小颗粒构成的层片状的多孔结构，下部为由大颗粒构成的非层片状的多孔结构。实施例2一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)以20μm和0.4μm的SiC粉末为原料，其中小粒径SiC颗粒的质量百分含量为30％，并加入质量比为0.8％的分散剂羧甲基纤维素钠和质量比为5％烧结助剂Al2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制陶瓷浆料将分散剂溶于去离子水中制得稳定的溶液，向该稳定的溶液中加入烧结助剂和两种或两种以上的粒径不同的SiC颗粒混合而成的SiC陶瓷颗粒，球磨混料，制得陶瓷浆料；2)浆料除气采用真空搅拌除气法去除陶瓷浆料中的气泡；3)冷冻将经步骤2)除气处理后的陶瓷浆料置于冷却模具中，进行冷冻，冷冻温度为‑5℃～‑55℃，得到冷冻生坯；4)真空冷冻干燥将冷冻生坯在‑55℃、1Pa的真空度下，真空冷冻干燥处理，制得多层片状梯度多孔SiC坯体；5)排胶和烧结将多层片状梯度多孔SiC坯体，自室温起，以1～3℃/min的升温速率，加热至500～800℃，排胶处理2～4h；再以10～12℃/min的升温速率，加热至1300～1500℃，保温3～5h，制得层片状梯度多孔碳化硅陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制陶瓷浆料将分散剂溶于去离子水中制得稳定的溶液，向该稳定的溶液中加入烧结助剂和两种或两种以上的粒径不同的SiC颗粒混合而成的SiC陶瓷颗粒，球磨混料，制得陶瓷浆料；2)浆料除气采用真空搅拌除气法去除陶瓷浆料中的气泡；3)冷冻将经步骤2)除气处理后的陶瓷浆料置于冷却模具中，进行冷冻，冷冻温度为-5℃～-55℃，得到冷冻生坯；4)真空冷冻干燥将冷冻生坯在-55℃、1Pa的真空度下，真空冷冻干燥处理，制得多层片状梯度多孔SiC坯体；5)排胶和烧结将多层片状梯度多孔SiC坯体，自室温起，以1～3℃/min的升温速率，加热至500～800℃，排胶处理2～4h；再以10～12℃/min的升温速率，加热至1300～1500℃，保温3～5h，制得层片状梯度多孔碳化硅陶瓷。2.根据权利要求1所述的层片状梯度多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤1)中，粒径不同的SiC颗粒包括粒径为30～75μm的大粒径SiC颗粒和粒径为0.4～30μm的小粒径SiC颗粒；其中，SiC陶瓷颗粒中，30～75μm的大粒径SiC颗粒所占的质量比为10％～90％，余量为0.4～...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，杨必果，张博，张哲健，夏鸿雁，王继平，王波，王红洁，杨建锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61