多孔碳化硅陶瓷的制备方法技术

多孔碳化硅陶瓷的制备方法，它涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法。本发明专利技术为了解决现有方法制备的多孔碳化硅陶瓷力学性能低、孔隙率低的技术问题。本方法如下：一、制备浆料；二、制备多孔陶瓷生坯；三、制备预制体；四、制备碳凝胶；五、制备多孔碳化硅与碳凝胶的复合材料；六、制备多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料；七、将多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料与单质硅粉放入烧结炉中烧结，即得多孔碳化硅陶瓷。本发明专利技术制备的多孔碳化硅开口孔隙率为30～83％、孔径尺寸为0.3～100m，孔隙可以实现均匀分布或定向排列。通过三点弯曲试验测试，最终制得的孔隙率为47.8％的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达164.62MPa。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法。
技术介绍
多孔碳化硅陶瓷由于具有低密度、耐高温、耐腐蚀、高滲透率以及抗氧化、抗热震性能好等优点，使其在高温气体过滤器材料、催化剂载体、气体燃烧室介质和耐火材料方面具有广泛的应用前景。目前，已经较多应用的多孔陶瓷多为氧化物陶瓷，但其存在高温性能不佳、耐腐蚀性能不足等缺点，而多孔碳化硅陶瓷正好能够弥补这些不足；此外，许多特殊领域对多孔陶瓷材料的性能提出了更高的要求，碳化硅材料本身的优点使其成为制备多孔陶瓷的理想材料之一，如在核能领域中用于高温气冷堆中过滤放射性废液和含石墨颗粒的高温氦气。因此，关于多孔碳化硅陶瓷的制备成为目前研究的热点之一。目前，制备多孔碳化硅陶瓷的方法主要有直接颗粒堆积形成孔隙，添加有机物造 孔剂、发泡剂，或者采用木材、高固碳含量的树脂经高温裂解形成多孔坯体、有机泡沫塑料作为模板，或者选用聚碳硅烷作为前躯体等。现有的制备多孔碳化硅陶瓷材料方法，有的エ艺较为简单，但孔隙尺寸及孔隙率不能有效进行控制，较难制备孔隙率高于80%以及孔隙定向排列的多孔陶瓷；有的エ艺需在制备过程中排除有机物以形成孔隙结构，虽然孔隙率及孔径在一定范围内可控，但同样难于制备高孔隙率的多孔碳化硅陶瓷，此外，有机物的排除对环境不友好；利用聚碳硅烷作为前躯体能够在较低温度下制备多孔碳化硅陶瓷，但制备成本很高。另ー方面，上述制备方法难以实现复杂形状的多孔碳化硅陶瓷的制备，若要制备形状复杂的零件，需要进行较大的后续机械加工，大大增加了生产成本。此外，由于碳化硅的烧结性能差，现有的方法制备的多孔碳化硅陶瓷的力学性能较低，在制成的成品中气孔率达到50%时，強度往往低于40MPa，严重限制了多孔碳化硅陶瓷的应用。鉴于此，改进制备多孔碳化硅陶瓷的方法，使之能够有效控制孔隙尺寸及孔隙率，并且能够制备出复杂形状、高性能的多孔碳化硅陶瓷，显得尤为必要。反应烧结法制备碳化硅是指通过单质碳和硅在高温下发生反应生成碳化硅将已有的碳化硅颗粒连接起来得到碳化硅块体材料的方法，该エ艺能够实现在较低温度下烧结碳化硅材料，然而，一般情况下单质碳或硅在反应结束后会有残留，严重影响所制备的材料性能。因此，改进反应烧结エ艺，保留其低温可以实现烧结的优点、实现反应完全、无任何单质碳或硅的残留，将会促使该エ艺获得更大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有方法制备的多孔碳化硅陶瓷力学性能低、孔隙率低的技术问题，提供了ー种。按照以下方法进行—、将5 60质量份原料与40 95质量份去尚子水混合,然后加入分散剂、粘结剂和消泡剂，再加入碳化硅球进行球磨24小时，得到浆料；所述的原料为碳化硅粉体或者碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物，碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物中烧结助剂的质量分数为I 10%，其中碳化硅粉体与分散剂的质量比为I : O. 001 O. 03，碳化硅粉体与粘结剂的质量比为I : O. 005 O. 03，碳化硅粉体与消泡剂的质量比为I : O. 001 O. 01 ;步骤一中所述的烧结助剂为A1203、Y2O3及BaAl2Si2O8中的一种或其中几种的组合；步骤一中所述的分散剂为四甲基氢氧化铵(TMAH)或柠檬酸铵；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或明胶；步骤一中所述的消泡剂为正丁醇；二、将浆料倒入模具中浇注成型，再脱气10分钟，得到样品，将样品在-196°C -10°C凝固3 60分钟，然后在温度为_10°C 40°C、压力为I IOOPa的条 件下冷冻干燥I 4天，即得多孔陶瓷生坯；三、将多孔陶瓷生坯放置于无压烧结炉中，在真空度为lX10_3Pa lX10_2Pa、升温速率为l°c /min 2V /min的条件下加热到600°C并保温O. 5 4小时，向无压烧结炉中充入高纯氮气或高纯氩气，然后以5 10°C /min的升温速率升温至1500 1800°C并保温O. 5 4小时，随炉冷却，即得预制体；四、将间苯二酚与甲醛按照0.3 3 I的摩尔比溶于去离子水中，得到间苯二酚和甲醛总质量分数为20 60%的碳溶胶，按照间苯二酚与催化剂的摩尔比为200 1200 I的比例加入催化剂，在室温下磁力搅拌10 30分钟，得混合物，将步骤三所得的预制体浸入混合物中10分钟 I小时，采用真空除泡10分钟，然后将真空除泡后的预制体密封后放入40 50°C的水浴锅中进行凝胶I天，然后再在80 90°C的水浴锅中反应3 5天，得到碳凝胶；所述的催化剂为Na2C03、NaHC03、Ca (OH) 2 或 MgCO3 ；五、按照将碳凝胶放置于丙酮中I 5小时再取出的顺序反复操作48小时，然后使碳凝胶在常压下完全干燥，得到多孔碳化硅与碳凝胶的复合材料；六、将多孔碳化硅与碳凝胶的复合材料置于烧结炉中，在氮气或氩气保护的条件下，以1°C /min 5°C /min的升温速率升温到800 1000°C并保温2 4小时，得到多孔碳化娃和炭气凝胶的复合材料；七、将多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料与单质硅粉按照I : I 5的质量比放置于石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放入烧结炉中，通入氩气或者氮气至烧结炉内压强为O. 04 O. 08MPa,以5 20°C /min的升温速率升温到1500 1700°C并保温2 4小时，然后随炉冷却，即得多孔碳化硅陶瓷。本专利技术制备的多孔碳化硅陶瓷可以通过调节冷冻浇注过程中的浆料固相含量来实现材料气孔率的变化，随着浆料固相含量的增高，气孔率下降；同时可以通过不同的凝固方式及凝固速率得到不同孔结构的多孔陶瓷。本专利技术制备的多孔碳化硅开口孔隙率为30 83%、孔径尺寸为O. 3 100m，孔隙可以实现均匀分布或定向排列。通过三点弯曲试验测试，最终制得的孔隙率为47. 8%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达164. 62MPa。本专利技术方法具有以下优点(I)使用冷冻浇注工艺便于制备高孔隙率、孔径可控的多孔碳化硅陶瓷的坯体，采用水基浆料对环境友好。(2)本方法可以大幅提高多孔碳化硅陶瓷材料的强度性能(抗弯强度高达164MPa)，使得其能广泛应用于工业生产中。此外，通过本专利技术制备的多孔碳化硅材料能够实现近净成型(线性收缩率< 1% )、制备复杂形状的多孔碳化硅产品，并节约成本。(3)由于最终多孔碳化硅材料的物相组成为纯碳化硅或者碳化硅及少量的烧结助剂(质量分数< 5% )，因此能够将碳化硅的优异性能充分发挥出来，具有较低的热膨胀系数、良好的高温性能、耐热冲击、抗氧化、耐酸碱腐蚀及耐摩擦性能。(4)本专利技术中烧结温度低，降低了设备要求，节约了能源。由于采用无压烧结，适合于大批量生产。附图说明 图I是实验五制备的多孔碳化硅陶瓷的SEM显微结构照片；图2是实验六中多孔碳化硅中形成炭气凝胶的SEM显微组织照片；图3是实验六中得到的多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料的XRD衍射图谱；图4是实验六制备的多孔碳化硅陶瓷的XRD衍射图谱；图5是实验六制备的多孔碳化硅陶瓷的SEM显微结构照片；图6是实验六制备的多孔碳化硅陶瓷局部放大的SEM显微结构照片。具体实施例方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一本实施方式按照以下方法进行—、将5 60质本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于多孔碳化硅陶瓷的制备方法按照以下方法进行：一、将5～60质量份原料与40～95质量份去离子水混合，然后加入分散剂、粘结剂和消泡剂，再加入碳化硅球进行球磨24小时，得到浆料；所述的原料为碳化硅粉体或者碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物，碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物中烧结助剂的质量分数为1～10％，其中碳化硅粉体与分散剂的质量比为1∶0.001～0.03，碳化硅粉体与粘结剂的质量比为1∶0.005～0.03，碳化硅粉体与消泡剂的质量比为1∶0.001～0.01；步骤一中所述的烧结助剂为Al2O3、Y2O3及BaAl2Si2O8中的一种或其中几种的组合；步骤一中所述的分散剂为四甲基氢氧化铵或柠檬酸铵；步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或明胶；步骤一中所述的消泡剂为正丁醇；二、将浆料倒入模具中浇注成型，再脱气10分钟，得到样品，将样品在？196℃～？10℃凝固3～60分钟，然后在温度为？10℃～40℃、压力为1～100Pa的条件下冷冻干燥1～4天，即得多孔陶瓷生坯；三、将多孔陶瓷生坯放置于无压烧结炉中，在真空度为1×10？3Pa～1×10？2Pa、升温速率为1℃/min～2℃/min的条件下加热到600℃并保温0.5～4小时，向无压烧结炉中充入高纯氮气或高纯氩气，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1500～1800℃并保温0.5～4小时，随炉冷却，即得预制体；四、将间苯二酚与甲醛按照0.3～3∶1的摩尔比溶于去离子水中，得到间苯二酚和甲醛总质量分数为20～60％的碳溶胶，按照间苯二酚与催化剂的摩尔比为200～1200∶1的比例加入催化剂，在室温下磁力搅拌10～30分钟，得混合物，将步骤三所得的预制体浸入混合物中10分钟～1小时，采用真空除泡10分钟，然后将真空除泡后的预制体密封后放入40～50℃的水浴锅中进行凝胶1天，然后再在80～90℃的水浴锅中反应3～5天，得到碳凝胶；所述的催化剂为Na2CO3、NaHCO3、Ca(OH)2或MgCO3；五、按照将碳凝胶放置于丙酮中1～5小时再取出的顺序反复操作48小时，然后使碳凝胶在常压下完全干燥，得到多孔碳化硅与碳凝胶的复合材料；六、将多孔碳化硅与碳凝胶的复合材料置于烧结炉中，在氮气或氩气保护的条件下，以1℃/min～5℃/min的升温速率升温到800～1000℃并保温2～4小时，得到多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料；七、将多孔碳化硅和炭气凝胶的复合材料与单质硅粉按照1∶1～5的质量比放置于石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放入烧结炉中，通入氩气或者氮气至烧结炉内压强为0.04～0.08MPa，以5～20℃/min的升温速率升温到1500～1700℃并保温2～4小时，然后随炉冷却，即得多孔碳化硅陶瓷。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶枫，刘强，侯赵平，刘仕超，张海礁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：