一种SiC蜂窝陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔陶瓷材料及其制备技术领域，具体为一种多孔薄壁、高强度、高比表面、低膨胀、高导热、抗热冲击性能高、结构可控的SiC蜂窝陶瓷材料及其制备方法。所述SiC蜂窝陶瓷材料具有连续单一的类似于蜂窝形的整体结构，沿轴向有许多平行的通道，通道的形状可以是三角形、波形等；组成蜂窝结构的单位面积孔数可控制在100～5/cm2之间，孔壁厚度可控制在0.2～2mm之间；孔壁可以为致密结构，也可具有微孔结构；本发明专利技术采用有机树脂及SiC粉末为主要原料，利用模压工艺制备单层结构再组装起来成为蜂窝结构，热解后经反应熔渗烧结成为最终产品。本发明专利技术提供的制备方法工艺简单、操作方便、无需复杂设备，制造成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔陶瓷材料及其制备
，具体为一种多孔薄壁、高强度、高比表面、低膨胀、高导热、抗热冲击性能高、结构可控的SiC蜂窝陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
蜂窝陶瓷具有连续单一的整体结构，沿轴向有许多平行的通道，通道的形状可以是圆形、正方形、三角形、六角形、波形等，因为类似于蜂窝形的结构而得名。因此，与一般的块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷具有气孔率高、比表面积大、耐腐蚀性强、重量较轻等特点；相对于一般的颗粒状载体而言，具有气流阻力小、单位几何表面积大、体积比重小、压力降小、扩散距离小、利于反应物的进入和生成物的离去等优点，因此特别适用于吸附及各种用途的催化剂载体；另外，由于流体可通过蜂窝陶瓷间壁上的贯穿上下表面的孔洞，可利用蜂窝陶瓷的间壁进行热交换和化学反应。目前，蜂窝陶瓷已应用于工业废气的净化、汽车尾气净化及消声、污水处理、石化精炼及金属液过滤等方面。蜂窝陶瓷可由多种材质制成，主要有堇青石、莫来石、钛酸铝、碳化硅和氮化硅等。其中，SiC蜂窝陶瓷具有热导率高、体积密度小、比表面积高以及耐高温、化学稳定性好、强度高等特点，因此适合于高温、腐蚀、氧化的环境，应用前景更为广泛。但目前挤压成型工艺制备SiC蜂窝陶瓷时存在问题很多，成型时精度差、变形、开裂的可能高；模具制造困难，磨损严重，寿命低；干燥过程有机成分必须完全释放干净，控制不好易导致素坯损坏，烧结中易变形，强度不高，以上原因导致材料制备成本居高不下，性能不高，因此限制了该种蜂窝陶瓷的推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强、高比表面、结构可控的SiC蜂窝陶瓷材料及其制备方法，所述蜂窝陶瓷材料具有SiC陶瓷的基本特性，如强度高、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、抗氧化、高温稳定好、抗热冲击能力强等；同时具有高比表面、低体积密度、高孔隙率的特点；所述制备方法工艺简单，成本低。本专利技术的技术方案是一种SiC蜂窝陶瓷材料，所述蜂窝陶瓷材质为SiC，具有连续单一的蜂窝形整体结构，沿轴向有平行的通道，通道的形状是三角形或波形；组成蜂窝结构的单位面积孔数控制在100 5/cm2之间，孔壁厚度控制在O. 2 2mm之间。所述SiC蜂窝陶瓷材料，组成蜂窝结构的孔壁结构为致密结构，或者采用造孔工艺成为微米多孔结构。所述SiC蜂窝陶瓷材料的制备方法，以固体颗粒粉末和具有较高产碳率的高分子材料为原料，采用模压制备单层蜂窝单元组合后热解、烧结，具体制备过程如下(I)原料配制将固体颗粒粉末、高分子材料、固化剂按质量百分比例为(70wt % 20wt% ) : (20wt% 70wt% ) : (lwt% 10wt% )共溶于有机溶剂中，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆，所述料浆溶液溶质为总质量的5 80% ;后经风干去除料浆中一定量的有机溶剂，使风干后的有机溶剂质量含量为10 15%之间；固体颗粒粉末是碳化硅粉、硅粉或者二者混合粉末；高分子材料选自环氧树脂、酚醛树脂和糠醛树脂之一种或几种；固化剂为对甲苯磺酸、乌洛托品、草酸或柠檬酸；(2)模压成型及组装将上述原料均匀涂敷在聚乙烯醇无纺布上，然后铺在加热的对开成型模具的一面上后合模，成为模具形状的单层蜂窝单元；或者，采用加热的齿轮对辊，将涂敷后的无纺布在对辊间挤压固化成型为具有齿形的单层蜂窝单元，然后将所需数目的单层蜂窝单元用料浆粘合叠垛起来，固化粘合料浆使之固定成为蜂窝结构预制体，对开成型模具或齿轮对辊的预热温度为120-180°C ； ⑶热解将蜂窝结构预制体在氩气、氮气或其它惰性气体的保护气氛下热解，或者在真空条件下热解，生成碳质蜂窝结构，其间聚乙烯醇无纺布被烧掉；其中，升温速率每分钟I IO0C，升温至800 12000C，保温O. 5 2小时;(4)液相反应熔渗将热解得到的碳质蜂窝结构进行反应熔渗烧结，反应烧结熔渗中选用的原料为硅，在氩气、氮气或其它惰性气体的保护气氛下烧结渗硅，或者在真空条件下进行烧结渗硅，升温速率为每分钟5 15°C，熔体温度为1400 1900°C，保温O. 5 5小时，得SiC蜂窝陶瓷材料。所述有机溶剂为乙醇或甲醛，溶剂质量浓度在50-90%之间。所述硅粉及碳化硅粉纯度为95%以上，平均粒度为IOnm 25 μ m。所述固化剂含量为高分子材料树脂质量的I 10%;在100 250°C温度下固化，时间I 10分钟。所述模压成型模具为对开模或齿轮对辊模具，模具成型形状为所需蜂窝结构的单层，压制成型的单层结构为三角形或波形；壁厚度控制在O. 2 2mm之间，组装成蜂窝结构的单位面积孔数可控制在100 5/cm2之间。所述SiC蜂窝陶瓷材料的制备方法，采用碳化硅粉或者碳化硅粉和硅粉混合粉末，其中采用混合粉末时，二者质量比例为(20 90% ) (80 10% )。本专利技术是将固体颗粒粉末(碳化硅粉、硅粉或者二者混合粉末)与高产碳率的高分子混合风干制成料浆；将料浆均匀涂敷聚乙烯醇无纺布，然后将其铺在加热的对开成型模具的一面上后合模加压，使料浆致密固化，成为具有模具形状的单层蜂窝单元，或者采用加热的齿形对辊挤压成型，后将得到的单层蜂窝单元用稀释的料浆粘合叠垛起来，固化后固定成为蜂窝结构预制体。将固化后的蜂窝结构预制体在真空或惰性气体保护炉中进行热解，得到与蜂窝结构预制体形状一样的由固体粉末颗粒与热解碳组成的碳蜂窝结构。在反应烧结熔渗中，硅熔体在真空或保护气氛下被熔化过热，进而碳蜂窝结构的碳与气相或液相娃反应生成碳化娃，并与碳蜂窝结构中的原始碳化娃颗粒结合起来得到高强、高比表面、结构可控SiC蜂窝陶瓷材料。本专利技术在避开传统制备SiC蜂窝陶瓷挤压工艺可控性差，成本高的基础上，发展了一种高强、高比表面、结构可控SiC蜂窝陶瓷材料及其制备技术，具有如下优点I、蜂窝孔型可控。本专利技术所述SiC蜂窝陶瓷材料的制备方法中模压成型模具为对开模，模具成型形状为所需蜂窝结构的单层形状，模具制造时可以设计模具开槽形状为三角形、波形等，如附图I所示，模具开槽间距及开槽尺寸可以调节，进而在料浆压制成型的单层结构可控制为相应的形状；再控制上下模具间隙就可调整孔壁厚度，或者采用齿形对辊挤压工艺制备蜂窝单元，对辊齿形可以是三角形，也可以是波形，辊间隙可调节，蜂窝单元形状、厚度可控，组装成蜂窝结构的单位面积孔数可控制在100 5/cm2之间，孔壁可控制在O. 2 2mm之间。2,SiC蜂窝陶瓷材料强度好。本专利技术采用有机高分子热解得到碳前驱体及液相反应熔渗烧结工艺，树脂热解得到的碳在熔渗反应中生成的碳化硅与料浆中添加的碳化硅粉 末颗粒牢固结合，因而碳化硅陶瓷相粒子结合强度高，存在强的相互作用，组织均匀细密，保证了材料具有高的力学性能，避免了传统无压烧结法制备SiC陶瓷材料SiC颗粒结合不牢，强度不高的缺点。3,SiC蜂窝陶瓷材料的孔壁结构可以控制，既可得到致密孔壁，亦可得到微米多孔孔壁。本专利技术原料配制中可以添加造孔原料，在烧结中控制保温时间得到微米多孔的孔壁结构，亦可不添加造孔原料，烧结后直接得到致密孔壁的蜂窝陶瓷材料。4、工艺简单，成本低。传统蜂窝陶瓷挤压制备工艺烦琐，包括主原料合成-混练陈腐-挤压成型-干燥-烧成工艺，每步工艺要求都很严格，原料既要利于挤压成型又要利于烧结，组分十分复杂；挤压过程对模具要求非常高，模具加工困难、寿命本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC蜂窝陶瓷材料，其特征在于所述蜂窝陶瓷材质为SiC，具有连续单一的蜂窝形整体结构，沿轴向有平行的通道，通道的形状是三角形或波形；组成蜂窝结构的单位面积孔数控制在100 5/cm2之间，孔壁厚度控制在O. 2 2mm之间。2.按权利要求I所述SiC蜂窝陶瓷材料，特征在于组成蜂窝结构的孔壁结构为致密结构，或者采用造孔工艺成为微米多孔结构。3.按权利要求I所述SiC蜂窝陶瓷材料的制备方法，其特征在于以固体颗粒粉末和具有较高产碳率的高分子材料为原料，采用模压制备单层蜂窝单元组合后热解、烧结，具体制备过程如下 (1)原料配制 将固体颗粒粉末、高分子材料、固化剂按质量百分比例为(70wt % 20wt% ) : (2Owt% 7Owt% ) : (lwt% 10wt% )共溶于有机溶剂中，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆，所述料浆溶液溶质为总质量的5 80% ;后经风干去除料浆中一定量的有机溶剂，使风干后的有机溶剂质量含量为10 15%之间； 固体颗粒粉末是碳化娃粉、娃粉或者二者混合粉末；高分子材料选自环氧树脂、酹醒树脂和糠醛树脂之一种或几种；固化剂为对甲苯磺酸、乌洛托品、草酸或柠檬酸； (2)模压成型及组装 将上述原料均匀涂敷在聚乙烯醇无纺布上，然后铺在加热的对开成型模具的一面上后合模，成为模具形状的单层蜂窝单元；或者，采用加热的齿轮对辊，将涂敷后的无纺布在对辊间挤压固化成型为具有齿形的单层蜂窝单元，然后将所需数目的单层蜂窝单元用料浆粘合叠垛起来，固化粘合料浆使之固定成为蜂窝结构预制体，对开成型模具或齿轮对辊的预热温度为120-180°...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，田冲，杨振明，曹小明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：