一种材质为碳化硅泡沫陶瓷的多孔介质燃烧器制造技术

本发明专利技术公开了一种材质为碳化硅泡沫陶瓷的多孔介质燃烧器，将聚碳硅烷与含乙烯基的硅烷，通过硅氢加成反应合成具有热固化特性的聚碳硅烷，然后以有机泡沫为模板，浸渍得到含有热固化性质聚碳硅烷的有机泡沫预制体，再对该泡沫预制体进行热处理，实现溶剂的脱除和聚碳硅烷的交联固化，最后进行高温热解，得到碳化硅泡沫陶瓷。本发明专利技术碳化硅泡沫陶瓷作为多孔介质燃烧器时，具有耐温性优良、抗热震性能优异和热传导性能优异等特性，具有重大实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种材质为碳化硅泡沫陶瓷的多孔介质燃烧器
本专利技术属于陶瓷泡沫
，具体涉及一种以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷为材质的多孔介质燃烧器。
技术介绍
碳化硅泡沫陶瓷具有优良特性：适应性好、抗氧化、耐腐蚀、热膨胀系数低、热稳定性好、热传导率低、渗透率高、流体吸附性好、选择透过性高、能量吸收或阻压性好，以及应力负载变形小等优异性能。广泛应用于过滤、生物陶瓷、吸音、催化剂载体及化工填料等领域。近几年，随着人们对泡沫陶瓷的需求日益扩大，制备高性能泡沫陶瓷也成为当务之急。由于SiC是一种强共价键化合物，自扩散系数非常小，直接烧结温度接2000℃，通常情况下都是添加烧结助剂来降低其烧结温度(佘继红,江东亮.碳化硅陶瓷的发展与应用.陶瓷工程,1998,32(3):3-11)。众多制备方法中，有机泡沫浸渍工艺具有明显优势：它借助有机泡沫独特的三纤开孔网状骨架，将制备好的浆料均匀地涂覆在有机泡沫网状骨架结构上形成泡沫预制体，干燥处理使在泡沫骨架筋上的浆料更加牢固，再无压烧掉有机泡沫体，获得一种结构类似泡沫结构的泡沫陶瓷。该工艺操作简单，易于生产，可制得气孔连通性好且孔隙率高的陶瓷制品。传统有机泡沫浸渍工艺中(姚秀敏,黄政仁,谭寿洪.聚碳硅烷低温烧结碳化硅网眼多孔陶瓷的研制[J].无机材料学报,2010,25(02):168-172.；刘卫,黎阳,陈璐.聚碳硅烷低温制备碳化硅泡沫陶瓷[J].硅酸盐学报,2011,39(11):1763-1767.；陈璐,黎阳,刘卫.聚碳硅烷低温烧结碳化硅泡沫陶瓷的制备[J].现代机械,2011(06):60-61+87.；孙文飞.低温制备碳化硅泡沫陶瓷及其性能研究[D].贵州大学,2017.)，多采用以碳化硅陶瓷粉体为主要成分和粘结剂及溶剂配制浆料，以有机泡沫为模板，浸渍得到预制体，最后烧结预制体得到碳化硅泡沫陶瓷。烧结助剂的添加后，烧结制备SiC泡沫陶瓷温度大多在1400℃以上。梁汉琴(梁汉琴,姚秀敏,黄政仁,刘学建.碳化硅陶瓷液相烧结时的液相生成过程[J].机械工程材料,2015,39(02):34-37.)对SiC泡沫陶瓷烧结温度和烧结机理进行了研究，SiC泡沫陶瓷主要是玻璃相对SiC颗粒的包覆、连接作用及新相莫来石生成。刘卫(刘卫,黎阳,陈璐.聚碳硅烷低温制备碳化硅泡沫陶瓷[J].硅酸盐学报,2011,39(11):1763-1767.)采用有机模板浸渍法，在惰性气氛中，于1000℃以聚碳硅烷为裂解粘结SiC微粉制备了SiC泡沫陶瓷，其泡沫陶瓷线收缩率较大，抗折强度随固相含量的增加而升高，随PCS含量的增加先升高再降低；固相含量为69.6％,聚碳硅烷含量为10％时，抗弯强度可达3.9MPa。刘坚(刘坚,许云书,熊亮萍,徐光亮.含前驱体SiC粉体低压成型低温烧结SiC多孔陶瓷[J].中国粉体技术,2009,15(03):28-30.)采用聚碳硅烷和SiC粉体为原料低压成型低温烧结制备SiC多孔陶瓷,研究了聚碳硅烷含量对SiC多孔陶瓷性能的影响。SEM分析表明,聚碳硅烷裂解产物将SiC颗粒粘结起来,多孔陶瓷具有相互连通的开孔结构。综上所述，传统有机泡沫浸渍工艺中，浆料主要以碳化硅陶瓷粉体颗粒为主要成分，在烧结过程中，粘结剂在碳化硅陶瓷粉体颗粒之间形成连接，从而形成具有一定力学性能的陶瓷泡沫。粘结剂可分为：无极金属氧化物和有机化合物聚碳硅烷，前者对泡沫陶瓷的元素组成有较大影响，烧结制备温度高，在1300℃以上；后者在烧结过程中会发泡，含量低时，粘结效果不明显，含量高时，对泡沫的强度和孔隙的保持均有不利影响，泡沫陶瓷线收缩率较大，在制备浆料过程中，无论那种粘结剂与碳化硅粉体之间的分散均是难题，不能很好地形成均一稳定的浆料，这对最终的泡沫陶瓷的性能有不利的影响。因此，在专利CN105272266A中，李思维仅用聚碳硅烷作为泡沫陶瓷的先驱体，与溶剂二甲苯配制浆料，以处理过的聚氨酯泡沫为模板，制得挂浆产物，先经过鼓风烘箱中处理，再在高温炉中烧结得碳化硅泡沫陶瓷。但是在鼓风烘箱中的处理过程中，尤其是对于大尺寸，体积较大的挂浆产物处理时，氧化均一性同样很难保证：会出现局部氧含量过高；甚至内层的聚碳硅烷没有完全形成交联固化，在烧结过程中，会造成泡沫的坍塌和孔隙的变形。限制先驱体法制备碳化硅泡沫陶瓷的关键所在是聚碳硅烷的交联固化过程。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种碳化硅泡沫陶瓷的低成本高效率的制备方法以及使用其的多孔介质燃烧器。开发出自身具有热固化性质的聚碳硅烷，在先驱体法制备碳化硅泡沫陶瓷过程中不再需要进行不熔化处理。以具有热固化特性的聚碳硅烷为唯一碳化硅泡沫陶瓷的先驱体，以二甲苯为溶剂配制浸渍溶液，以有机泡沫为模板，制备含有浸渍溶液的泡沫预制体，经过进一步高温处理，完成溶剂的脱除和聚碳硅烷的自身固化，不再需要空气不融化工艺，同时保证在聚碳硅烷向碳化硅陶瓷转变过程中不出现陶瓷自身发泡、流动、坍塌等现象，保证了碳化硅泡沫陶瓷的孔隙和结构性质，此工艺制备流程简单，原料来源充足，具有很大的实际应用价值。为了实现上述技术目的，如图1所示，本专利技术以聚碳硅烷(PCS)与含乙烯基的硅烷反应，使乙烯基团引入到PCS结构中，得到新型的含乙烯基的聚碳硅烷(PVCS)。由于该PVCS的结构中含有-C＝C-和Si-H两种活性基团，从而赋予其自身可热交联的特性。然后，配制浸渍溶液，以有机泡沫为模板进行浸渍。接着，对浸渍得到的有机泡沫预制体进行热处理，完成溶剂的脱除和聚碳硅烷的自身交联固化。最后对固化后的泡沫进行热解，在此过程中有机硅泡沫完全分解，无残留，固化后的聚碳硅烷不会发生发泡和严重的体积收缩，从而控制泡沫的孔隙结构和强度，得到性能优良的SiC泡沫陶瓷。即，本专利技术的技术方案为：一种以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)以聚碳硅烷与含有乙烯基的硅烷反应，制得结构中包含-C＝C-和Si-H活性基团，并且可溶解于有机溶剂的可热固化聚碳硅烷，可热固化聚碳硅烷作为前驱体；(2)将可热固化聚碳硅烷溶解制备浸渍溶液，以有机泡沫为模板，完成泡沫的浸渍，得到含浸渍溶液的有机泡沫预制体；(3)在惰性气氛中对有机泡沫预制体进行热处理，实现溶剂脱除和聚碳硅烷自身的交联固化；(4)对交联固化后的有机泡沫进行高温热解，得到碳化硅泡沫陶瓷。所述的PCS是由聚二甲基硅烷裂解重排合成的聚碳硅烷，其软化点为200～240℃，数均分子量为1600～1950。作为优选，所述的含有乙烯基的硅烷中不含Cl元素。作为优选，所述的含有乙烯基的硅烷中含有多个乙烯基，例如含有4个-C＝C-基团。作为优选，所述的含有乙烯基的硅烷中，硅原子上除了连接乙烯基团外，还连接其他有机基团，例如连接甲基、乙基或丙基等饱和烷烃。所述的含有乙烯基的硅烷不限，包括四乙烯基环四硅氧烷，三(异烯丙氧基)乙烯基硅烷。所述步骤(1)中，作为一种实现方式，具体过程如下：将质量比为1:0.1～1的聚碳硅烷与含有乙烯基的硅烷置于反应容器中，加入第一有机溶剂均匀混溶，再加入Si-H加成反应催化剂，抽真空置换高纯氩气后，在高纯氩气保护下，常压下，加热进行Si-H加成反应，冷却至室温后除去第一有机溶剂及未反应的硅烷化合物，得到含-C＝C-和Si-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征是：包括如下步骤：步骤1、将质量比为1:0.1～1的聚碳硅烷与含有乙烯基的硅烷置于反应容器中，加入第一有机溶剂均匀混溶，再加入Si‑H加成反应催化剂，抽真空置换高纯氩气后，在高纯氩气保护下，常压下，加热进行Si‑H加成反应，冷却至室温后除去第一有机溶剂及未反应的硅烷化合物，得到含‑C＝C‑和Si‑H活性基团的热固化聚碳硅烷；步骤2、以热固化聚碳硅烷和第二有机溶剂混合配成浸渍溶液，在真空条件下完成有机泡沫的浸渍，得到含有浸渍溶液的有机泡沫预制体。步骤3、将有机泡沫在惰性气氛中，以1℃/min～15℃/min的升温速率升温到200℃～400℃，保温1h～8h；热固化聚碳硅烷中的‑C＝C‑和Si‑H两种活性基团发生硅氢加成，完成分子间的交联，聚碳硅烷自身的交联固化。步骤4、将步骤3处理后的泡沫预制体在惰性气氛下，以5℃/min～50℃/min的升温速率，加热至1000℃～1200℃，保温0.5h～3h小时，然后冷却至室温；交联固化后的聚碳硅烷发生分解，脱出有机小分子，得到碳化硅陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征是：包括如下步骤：步骤1、将质量比为1:0.1～1的聚碳硅烷与含有乙烯基的硅烷置于反应容器中，加入第一有机溶剂均匀混溶，再加入Si-H加成反应催化剂，抽真空置换高纯氩气后，在高纯氩气保护下，常压下，加热进行Si-H加成反应，冷却至室温后除去第一有机溶剂及未反应的硅烷化合物，得到含-C＝C-和Si-H活性基团的热固化聚碳硅烷；步骤2、以热固化聚碳硅烷和第二有机溶剂混合配成浸渍溶液，在真空条件下完成有机泡沫的浸渍，得到含有浸渍溶液的有机泡沫预制体。步骤3、将有机泡沫在惰性气氛中，以1℃/min～15℃/min的升温速率升温到200℃～400℃，保温1h～8h；热固化聚碳硅烷中的-C＝C-和Si-H两种活性基团发生硅氢加成，完成分子间的交联，聚碳硅烷自身的交联固化。步骤4、将步骤3处理后的泡沫预制体在惰性气氛下，以5℃/min～50℃/min的升温速率，加热至1000℃～1200℃，保温0.5h～3h小时，然后冷却至室温；交联固化后的聚碳硅烷发生分解，脱出有机小分子，得到碳化硅陶瓷。2.如权利要求1所述的以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征是：步骤1中所述的聚碳硅烷是由聚二甲基硅烷裂解重排合成，其软化点为200～240℃，数均分子量为1600～1950。3.如权利要求1所述的以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征是：步骤1中所述的含有乙烯基的硅烷包括四乙烯基环四硅氧烷和三(异烯丙氧基)乙烯基硅烷两者中的至少一种。4.如权利要求1所述的以可热固化聚碳硅烷制备碳化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征是：所述的第一有机溶剂包括二甲苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞雪利，
申请(专利权)人：俞雪利，
类型：发明
国别省市：浙江,33